Question

15．上海世博會(huì)中國(guó)館的標(biāo)志性建筑物的上層框圖如圖所示，其上下底面是平行的兩正方形，上下底面的中心連線垂直于上下底面，且各側(cè)棱均相等，（即為正棱臺(tái)），經(jīng)側(cè)量得知2AB=A₁B₁=12，側(cè)棱長(zhǎng)為$\sqrt{34}$．
（1）求證AC⊥BB₁；
（2）求二面角D₁-A₁A-B₁的大小．

Answer 1

分析 （1）連結(jié)AC、BD，交于點(diǎn)O，連結(jié)A₁C₁、B₁D₁，交于P，連結(jié)OP，推導(dǎo)出OP⊥AC，AC⊥BD，由此能證明AC⊥BB₁．
（2）以O(shè)為原點(diǎn)，OA為x軸，OB為y軸，OP為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系，利用向量法能求出二面角D₁-A₁A-B₁的大�。�

解答 證明：（1）連結(jié)AC、BD，交于點(diǎn)O，連結(jié)A₁C₁、B₁D₁，交于P，連結(jié)OP，
∵上下底面是平行的兩正方形，上下底面的中心連線垂直于上下底面，
∴OP⊥AC，
∵ABCD是正方形，∴AC⊥BD，
∵OP∩BD=O，∴AC⊥平面BDD₁B₁，
∵BB₁?平面BDD₁B₁，∴AC⊥BB₁．
解：（2）以O(shè)為原點(diǎn)，OA為x軸，OB為y軸，OP為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系，
A₁（6$\sqrt{2}$，0，4），A（3$\sqrt{2}$，0，0），B₁（0，6$\sqrt{2}$，4），D₁（0，-6$\sqrt{2}$，4），
$\overrightarrow{A{A}_{1}}$=（3$\sqrt{2}$，0，4），$\overrightarrow{A{D}_{1}}$=（-3$\sqrt{2}，-6\sqrt{2}$，4），$\overrightarrow{A{B}_{1}}$=（-3$\sqrt{2}$，6$\sqrt{2}$，4），
設(shè)平面D₁A₁A的法向量$\overrightarrow{n}$=（x，y，z），
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{A{A}_{1}}=3\sqrt{2}x+4z=0}\\{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{A{D}_{1}}=-3\sqrt{2}x-6\sqrt{2}y+4z=0}\end{array}\right.$，取y=$\sqrt{2}$，得$\overrightarrow{n}$=（-$\sqrt{2}$，$\sqrt{2}$，$\frac{3}{2}$），
設(shè)平面A₁AB₁的法向量為$\overrightarrow{m}$=（a，b，c），
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{A{A}_{1}}=3\sqrt{2}a+4c=0}\\{\overrightarrow{m}•\overrightarrow{A{B}_{1}}=-3\sqrt{2}a+6\sqrt{2}b+4c=0}\end{array}\right.$，取a=$\sqrt{2}$，得$\overrightarrow{m}$=（$\sqrt{2}$，$\sqrt{2}$，-$\frac{3}{2}$），
設(shè)二面角D₁-A₁A-B₁的平面角為θ，
則cosθ=$\frac{|\overrightarrow{m}•\overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{m}|•|\overrightarrow{n}|}$=$\frac{\frac{9}{4}}{\frac{25}{4}}$=$\frac{9}{25}$，
∴二面角D₁-A₁A-B₁的大小為arccos$\frac{9}{25}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查異面直線垂直的證明，考查二面角的大小的求法，是中檔題，解題時(shí)要認(rèn)真審題，注意向量法的合理運(yùn)用．