如圖,四棱柱中A1B1C1D1-ABCD,底面ABCD為邊長(zhǎng)為2的菱形,側(cè)棱長(zhǎng)為3,且∠B1BA=∠B1BC=∠ABC=60°.
(1)求證:AC⊥平面B1BDD1
(2)求BC1與平面ABCD所成角的正弦值.
考點(diǎn):直線與平面所成的角,直線與平面垂直的判定
專題:空間位置關(guān)系與距離,空間角
分析:法一:
(Ⅰ)由菱形性質(zhì)得AC⊥BD,由向量性質(zhì)得AC⊥B1B,由此能證明AC⊥平面B1BDD1
(Ⅱ)以O(shè)為原點(diǎn),以DB為x軸、AC為y軸、OB1為z軸,建立空間直角坐標(biāo)系,利用向量法能求出BC1與平面ABCD所成角的正弦值.
法二:
(Ⅰ)證明:∵四邊形ABCD為邊長(zhǎng)為菱形,∴AC⊥BD.
又∵AB=BC,∠B1BA=∠B1BC,B1B=B1B,
∴△ABB1≌△CBB1,B1A=B1C.
而菱形ABCD對(duì)角線交點(diǎn)O為AC的中點(diǎn),∴B1O⊥AC
∴AC⊥平面B1BDD1(4分)
(Ⅱ)設(shè)菱形A1B1C1D1對(duì)角線的交點(diǎn)為O1,連接O1O,則∠O1OD為平面A1ACC1與平面ABCD所成二面角的平面角,由此能求出BC1與平面ABCD所成角的正弦值.
解答: 解法一:
(Ⅰ)證明:∵四邊形ABCD為邊長(zhǎng)為菱形,∴AC⊥BD
又∵
AC
B1B
=(
AB
+
AD
)•
B1B
=
AB
B1B
+
AD
B1B
,
AB
B1B
=-
BA
B1B
=-|
BA
|•|
B1B
|cos60°=-3,
AD
B1B
=
BC
B1B
=|
BC
|•|
B1B
|cos60°=3,
AC
B1B
=0,即AC⊥B1B,
又BD∩B1B=B,∴AC⊥平面B1BDD1.(4分)
(Ⅱ)解:∵∠ABC=60°,AB=BC=2,∴BO=
3
,
在△ABB1中,B1A2=AB2+B1B2-2AB×B1Bcos60°=7,
在直角△B1OA中,B1O2=B1A2-OA2=6,B1O=
6
,
∴B1O2+BO2=9=B1B2,
∴∠B1OB=90°,B1O⊥BO.(10分)
∴以O(shè)為原點(diǎn),以DB為x軸、AC為y軸、OB1為z軸,
建立空間直角坐標(biāo)系,A(0,-1,0),D1(-2
3
,0,
6
),
∵BC1∥AD1,∴BC1與平面ABCD所成角等于AD1與平面ABCD所成角,設(shè)這個(gè)為角θ,
AD1
=(-2
3
,1,
6
),平面ABCD的法向量
n
=(0,0,1)
∴cos<
n
,
AD1
>=
n
AD1
|
n
|•|
AD1
|
=
6
19
=
114
19
,<
n
AD1
><
π
2

∴θ=
π
2
-<
n
,
AD1
>,
BC1與平面ABCD所成角的正弦值sinθ=cos<
n
AD1
>=
114
19
.(12分)
解法二:
(Ⅰ)證明:∵四邊形ABCD為邊長(zhǎng)為菱形,∴AC⊥BD.
又∵AB=BC,∠B1BA=∠B1BC,B1B=B1B,
∴△ABB1≌△CBB1,B1A=B1C.
而菱形ABCD對(duì)角線交點(diǎn)O為AC的中點(diǎn),∴B1O⊥AC
∴AC⊥平面B1BDD1(4分)
(Ⅱ)解:設(shè)菱形A1B1C1D1對(duì)角線的交點(diǎn)為O1,
連接O1O,則O1O∥B1B,∠O1OD=∠B1BD
由知AC⊥平面B1BDD1,∴AC⊥O1O,又BD⊥AC
∴∠O1OD為平面A1ACC1與平面ABCD所成二面角的平面角,(6分)
∵∠ABC=60°,AB=BC=2,∴BO=
3
,
在△ABB1中,B1A2=AB2+B1B2-2AB×B1Bcos60°=7
在直角△B1OA中,B1O2=B1A2-OA2=6,B1O=
6
,
∴B1O2+BO2=9=B1B2,∴∠B1OB=90°,B1O⊥BO
∴B1O⊥平面ABCD,∴平面B1AC⊥平面ABCD
連接BC1交B1C于E,E就為BC1的中點(diǎn).
在△B1OC中,作EF⊥OC,垂足為F,連接BF,則EF∥B1O,EF⊥平面ABCD,
∠EBF就為BC1與平面ABCD所成角,(10分)
∴EF⊥BF,EF=
1
2
B1O=
6
2
,而BF2=OF2+OB2=
13
4
,BE2=EF2+BF2=
19
4
,BE=
19
2
,
∴BC1與平面ABCD所成角的正弦值sin∠EBF=
6
2
19
2
=
114
19
.(12分)
點(diǎn)評(píng):本題考查直線與平面垂直的證明,考查直線與平面所成角的正弦值的求法,解題時(shí)要認(rèn)真審題,注意空間思維能力的培養(yǎng).
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