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29立体几何初步★★★★☆
已知直三棱柱 ABC−A1B1C1ABC-A_{1}B_{1}C_{1} 的侧棱 AA1=4 cmAA_{1}=4\mathrm{~cm},它的底面 △ABC\triangle ABC 中有 AC=BC=2 cmAC=BC=2\mathrm{~cm},∠C=90∘\angle C=90^{\circ},EE 是 ABAB 的中点.
(1) 求证:CE⊥AB1CE\perp AB_{1}. (2) 求证:CECE 和 AB1AB_{1} 所在的异面直线的距离等于 233 cm\frac{2\sqrt{3}}{3}\mathrm{~cm}. (3) 设截面 ACB1ACB_{1} 与侧面 ABB1A1ABB_{1}A_{1} 所成较小的二面角为 α\alpha,试求 cos⁡α\cos\alpha 的值.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 【证法一】因为 ABC−A1B1C1ABC-A_{1}B_{1}C_{1} 是直三棱柱,因此 AA1⊥AA_{1}\perp 底面 ABCABC. 因为 CE⊂CE\subset 平面 ABCABC,因此 CE⊥AA1CE\perp AA_{1}. 又 EE 是等腰三角形 ABCABC 底边 ABAB 的中点,因此 CE⊥ABCE\perp AB. 过 EE 作直线 m∥AA1m\parallel AA_{1},则 mm 在平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1} 内,且 CE⊥mCE\perp m. 直线 ABAB 与 mm 相交于 EE,所以 CE⊥CE\perp 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1}. 因为 AB1⊂AB_{1}\subset 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1},因此 CE⊥AB1CE\perp AB_{1}.
【法二】因为 ABC−A1B1C1ABC-A_{1}B_{1}C_{1} 是直三棱柱,因此侧面 ABB1A1⊥ABB_{1}A_{1}\perp 底面 ABCABC. 又 EE 是等腰三角形 ABCABC 底边 ABAB 的中点,因此 CE⊥ABCE\perp AB,故 CE⊥CE\perp 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1}. 因为 AB1⊂AB_{1}\subset 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1},因此 CE⊥AB1CE\perp AB_{1}.
【证法三】因为 EE 是等腰三角形 ABCABC 底边 ABAB 的中点,因此 CE⊥ABCE\perp AB. 因为 ABC−A1B1C1ABC-A_{1}B_{1}C_{1} 是直三棱柱,因此 BB1⊥BB_{1}\perp 底面 ABCABC. 又 ABAB 是 AB1AB_{1} 在底面 ABCABC 上的射影,根据三垂线定理有 CE⊥AB1CE\perp AB_{1}.
\item 【证法一】因为 CE⊥ABCE\perp AB,CE⊥AB1CE\perp AB_{1},因此 CE⊥CE\perp 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1}. 过 EE 作 ED⊥AB1ED\perp AB_{1},垂足为 DD,AB⊂AB\subset 平面 ABB1A1ABB_{1}A_{1},因此 CE⊥EDCE\perp ED,故 EDED 是 CECE 和 AB1AB_{1} 所在的异面直线的距离. 在 Rt△ABB1\mathrm{Rt}\triangle ABB_{1} 和 Rt△ADE\mathrm{Rt}\triangle ADE 中,∠A\angle A 公共,因此 △ABB1∼△ADE\triangle ABB_{1}\sim \triangle ADE,因此 EDBB1=AEAB1\frac{ED}{BB_{1}}=\frac{AE}{AB_{1}},即 ED=AE⋅BB1AB1ED=\frac{AE\cdot BB_{1}}{AB_{1}}. 因为 AC=BC=2AC=BC=2,∠ACB=90∘\angle ACB=90^{\circ},因此 AB=22AB=2\sqrt{2},AE=12AB=2AE=\frac{1}{2}AB=\sqrt{2}. 又在 Rt△ABB1\mathrm{Rt}\triangle ABB_{1} 中,BB1=4BB_{1}=4,所以
AB1=AB2+BB12=(22)2+42=26AB_{1}=\sqrt{AB^{2}+BB_{1}^{2}}=\sqrt{(2\sqrt{2})^{2}+4^{2}}=2\sqrt{6}
因此 ED=2⋅426=233 cmED=\frac{\sqrt{2}\cdot4}{2\sqrt{6}}=\frac{2\sqrt{3}}{3}\mathrm{~cm}.
【法二】同【证法一】至 EDED 是 CECE 和 AB1AB_{1} 所在的异面直线的距离. 过 BB 作 BF⊥AB1BF\perp AB_{1},垂足为 FF,则 ED∥BFED\parallel BF,又 EE 是 ABAB 的中点,因此 ED=12BFED=\frac{1}{2}BF. 在 Rt△ABB1\mathrm{Rt}\triangle ABB_{1} 中,BF⋅AB1=AB⋅BB1BF\cdot AB_{1}=AB\cdot BB_{1},即 BF=AB⋅BB1AB1BF=\frac{AB\cdot BB_{1}}{AB_{1}}. 因为 AC=BC=2AC=BC=2,∠ACB=90∘\angle ACB=90^{\circ},所以 AB=22AB=2\sqrt{2}. 又 BB1=4BB_{1}=4,AB1=26AB_{1}=2\sqrt{6},故
ED=12BF=1222⋅426=233 cmED=\frac{1}{2}BF=\frac{1}{2}\frac{2\sqrt{2}\cdot4}{2\sqrt{6}}=\frac{2\sqrt{3}}{3}\mathrm{~cm}
\item 【法一】因为 ED⊥AB1ED\perp AB_{1},CE⊥CE\perp 侧面 ABB1A1ABB_{1}A_{1},连结 CDCD,根据三垂线定理有 CD⊥AB1CD\perp AB_{1},故 ∠CDE\angle CDE 是截面 CAB1CAB_{1} 和侧面 ABB1A1ABB_{1}A_{1} 所成的较小的二面角的平面角. CECE 是 Rt△ABC\mathrm{Rt}\triangle ABC 的斜边上的中线,故 CE=12AB=2CE=\frac{1}{2}AB=\sqrt{2}. 又 ED=233ED=\frac{2\sqrt{3}}{3},于是在 Rt△CED\mathrm{Rt}\triangle CED 中,
tan⁡∠CDE=CEED=2233=62\tan\angle CDE=\frac{CE}{ED}=\frac{\sqrt{2}}{2\frac{\sqrt{3}}{3}}=\frac{\sqrt{6}}{2}
即 tan⁡α=62\tan\alpha=\frac{\sqrt{6}}{2}. 又 α\alpha 为锐角,
sec⁡α=1+tan⁡2α=1+64=102\sec\alpha=\sqrt{1+\tan^{2}\alpha}=\sqrt{1+\frac{6}{4}}=\frac{\sqrt{10}}{2}
cos⁡α=1sec⁡α=105\cos\alpha=\frac{1}{\sec\alpha}=\frac{\sqrt{10}}{5}.
【法二】因为 CE⊥CE\perp 侧面 ABB1A1ABB_{1}A_{1},所以 △CAB1\triangle CAB_{1} 在侧面上的射影是 △EAB1\triangle EAB_{1}. 设 △CAB1\triangle CAB_{1} 的面积为 S1S_{1},△EAB1\triangle EAB_{1} 的面积为 S2S_{2},则有 S2=S1cos⁡αS_{2}=S_{1}\cos\alpha. 在 Rt△CBB1\mathrm{Rt}\triangle CBB_{1} 中,B1C=BB12+BC2=42+22=25B_{1}C=\sqrt{BB_{1}^{2}+BC^{2}}=\sqrt{4^{2}+2^{2}}=2\sqrt{5}. 又 AB1=26AB_{1}=2\sqrt{6},AC=2AC=2,三角形 CAB1CAB_{1} 的半周长为 s=1+5+6s=1+\sqrt{5}+\sqrt{6}. 由海伦公式,S12=s(s−2)(s−25)(s−26)=(10+230)(−10+230)=20S_{1}^{2}=s(s-2)(s-2\sqrt{5})(s-2\sqrt{6})=(10+2\sqrt{30})(-10+2\sqrt{30})=20,故 S1=25S_{1}=2\sqrt{5}. 另一方面,
S2=12AB1⋅ED=12⋅26⋅233=22S_{2}=\frac{1}{2}AB_{1}\cdot ED=\frac{1}{2}\cdot2\sqrt{6}\cdot\frac{2\sqrt{3}}{3}=2\sqrt{2}
所以
cos⁡α=S2S1=2225=105\cos\alpha=\frac{S_{2}}{S_{1}}=\frac{2\sqrt{2}}{2\sqrt{5}}=\frac{\sqrt{10}}{5}
\end{enumerate} \end{solution}

1985 · 广东 · 文 · 第 29 题 · 解答题

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