Question

如圖，棱柱ABC-A₁B₁C₁中，A₁A，A₁B，A₁C都與平面ABC所成的角相等，∠CAB=90°，AC=AB=A₁B=a，D為BC上的點，且A₁C∥平面ADB₁．求：
（Ⅰ）A₁C與平面ADB₁的距離；
（Ⅱ）二面角A₁-AB-C的大�。�
（Ⅲ）AB₁與平面ABC所成的角的大�。�

Answer 1

【答案】分析：解法一：
（1）求直線到平面的距離的距離通常可以轉化成點到平面的距離．根據三棱柱的結構特征可證明：A₁E⊥平面ADE，所以A₁E為點A₁到平面ADE的距離，即A₁C與平面ADB₁的距離；
（2）二面角的度量關鍵在于作出它的平面角，常用的方法就是三垂線定理．因為棱柱ABC-A₁B₁C₁中，A₁A，A₁B，A₁C都與平面ABC所成的角相等，∠CAB=90°，AC=AB=A₁B=a，D為BC上的點，則A₁D⊥平面ABC，過D作DG⊥AB，連A₁G，則A₁G⊥AB，∠A₁DG為二面角A₁-AB-C的平面角．
（3）直線與平面所成的角，首先要找出垂直于平面的直線，取BD中點F，連EF∥A₁D，又由（1）可知：A₁D⊥平面ABC，所以EF⊥平面ABC，連AF，則∠EAF為A₁B與平面ABC所成的角．
解法二：（向量法）
分別以AB、AC為x、y軸，平面ABC的垂線為z軸，建立空間直角坐標系，則A（0，0，0）B（a，0，0），C（0，a，0），連A₁B，由條件知，△A₁AB和△A₁AC均為等邊△且邊長為a，所以∠A₁AB=∠A₁AC=60°，設A（x，y，z），根據余弦定理可得：．這種解法的好處就是（1）解題過程中較少用到空間幾何中判定線線、面面、線面相對位置的有關定理，因為這些可以用向量方法來解決．（2）即使立體感稍差一些的學生也可以順利解出，因為只需畫個草圖以建立坐標系和觀察有關點的位置即可．
（1）求A₁C與平面ADB₁的距離，可設面ADB₁的法向量，取，設A₁C面ADB₁的距離為d，則．
（2）平面ABC的一個法向量為，設平面A₁AB的法向量為，則這兩個法向量的夾角的大小即為二面角A₁-AB-C的大小．
（3）由（2）可知：AB₁與平面ABC所成的角的大小即為平面ABC的一個法向量與的夾角的大�。�
解答：解：（I）設A₁B與AB₁的交點為E，連DE
∵A₁C∥平面ADE，
∴A₁C∥DE且A₁C到平面ADE的距離等于點A₁到平面ADE的距離
又∵△CA₁B≌△CAB，
∴∠CA₁B=90°，
即CA₁⊥A₁B
∴A₁E⊥ED，又A₁E⊥AE
∴A₁E⊥平面ADE
∴A₁E為點A₁到平面ADE的距離，又
∴A₁C到平面ADB的距離等于
（Ⅱ）∵A₁ABB₁為平行四邊形，
∴A₁E=EB，又A₁C∥DE
∴D為BC中點
∵A₁A，A₁B，A₁C與平面ABC所成角相等
∴A₁A=A₁B=A₁C，
∴點A₁在平面ABC的射影為Rt△ABC的外心，
又RtABC外心為斜邊中點D，連A₁D，則A₁D⊥平面ABC
過D作DG⊥AB，連A₁G，
則A₁G⊥AB，∠A₁DG為二面角A₁-AB-C的平面角
∵DG∥CA，
∴DG=，
即二面角A₁-AB-C的大小為
（Ⅲ）取BD中點F，連EF∥A₁D，
∵A₁D⊥平面ABC，
∴EF⊥平面ABC，連AF，
則∠EAF為A₁B與平面ABC所成的角
在Rt△ADA₁中，，
∴，
即AB₁與平面ABC所成的角為
解法二：（向量法）建立如圖坐標系，則A（0，0，0）B（a，0，0），C（0，a，0）
連A₁B，由條件知，△A₁AB和△A₁AC均為等邊△且邊長為a，
∴∠A₁AB=∠A₁AC=60°，設A（x，y，z），
則
由
同理得
∴
（I）A₁C∥面ADB₁，
∵A₁C∥ED，又E為A₁B中點，
∴D為BC中點，
∴D，
設面ADB₁的法向量
則
取
設A₁C面ADB₁的距離為d，則
（Ⅱ）平面ABC的一個法向量為，
設平面A₁AB的法向量為
則，
取
設，則
即二面角A₁-AB-C的大小為
（Ⅲ）設AB₁與平面ABC所成角為θ₂，
則
∴，
即AB₁與平面ABC所成角為
點評：本小題主要考查棱柱的結構特征，二面角及其度量，直線與平面所成的角，空間中點、線、面的距離計算和線面關系等基本知識，同時考查空間想象能力和推理、運算能力．