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18立体几何初步★★★☆☆
如图所示,在正方体 ABCD−A1B1C1D1ABCD - A_{1}B_{1}C_{1}D_{1} 中,EE 是棱 DD1DD_{1} 的中点.
(1) 求直线 BEBE 和平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1} 所成的角的正弦值; (2) 在棱 C1D1C_{1}D_{1} 上是否存在一点 FF,使 B1F∥B_{1}F \parallel 平面 A1BEA_{1}BE?证明你的结论.
\begin{solution} 设正方体的棱长为 aa,以 BB 为原点,以 BCBC,BABA,BB1BB_{1} 所在直线分别为三个坐标轴,则 \begin{enumerate} \item 于是 B=(0,0,0)B=\left(0,0,0\right),C=(a,0,0)C=\left(a,0,0\right),A=(0,a,0)A=\left(0,a,0\right),B1=(0,0,a)B_{1}=\left(0,0,a\right),A1=(0,a,a)A_{1}=\left(0,a,a\right),D=(a,a,0)D=\left(a,a,0\right),E=(a,a,a2)E=\left(a,a,\frac{a}{2}\right). 直线 BEBE 的方向向量可取 v=(a,a,a2)\boldsymbol{v}=\left(a,a,\frac{a}{2}\right). 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1} 的法向为 xx 轴方向,因此直线 BEBE 与该平面所成的角为 θ\theta 时,
sin⁡θ=∣a∣a2+a2+(a2)2=23\sin\theta=\frac{|a|}{\sqrt{a^2+a^2+\left(\frac{a}{2}\right)^2}}=\frac{2}{3}
\item 设 FF 的坐标为 (a,t,a)\left(a,t,a\right),其中 0⩽t⩽a0\leqslant t\leqslant a. 有 BA1→=(0,a,a)\overrightarrow{BA_{1}}=\left(0,a,a\right),BE→=(a,a,a2)\overrightarrow{BE}=\left(a,a,\frac{a}{2}\right),B1F→=(a,t,0)\overrightarrow{B_{1}F}=\left(a,t,0\right). 取平面 A1BEA_{1}BE 的一个法向量
n=BA1→×BE→=a2(−12,1,−1)\boldsymbol{n}=\overrightarrow{BA_{1}}\times\overrightarrow{BE}=a^2\left(-\frac{1}{2},1,-1\right)
由于 BB 是平面 A1BEA_{1}BE 上的点,且 BB1→⋅n=−a3≠0\overrightarrow{BB_{1}}\cdot\boldsymbol{n}=-a^3\ne0,所以直线 B1FB_{1}F 不在该平面内. 因而要使 B1F∥B_{1}F\parallel 平面 A1BEA_{1}BE,必须且只需其方向向量满足 B1F→⋅n=0\overrightarrow{B_{1}F}\cdot\boldsymbol{n}=0,即
−a32+a2t=0-\frac{a^3}{2}+a^2t=0
从而 t=a2t=\frac{a}{2}. 因此存在这样的点 FF,且 FF 是棱 C1D1C_{1}D_{1} 的中点. \end{enumerate} \end{solution}

2010 · 湖南 · 理 · 第 18 题 · 解答题

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