Question

如圖，直三棱柱A₁B₁C₁-ABC中，C₁C=CB=CA=2，AC⊥CB．D、E分別為棱C₁C、B₁C₁的中點．
（1）求點B到平面A₁C₁CA的距離；
（2）求二面角B-A₁D-A的大��；
（3）在線段AC上是否存在一點F，使得EF⊥平面A₁BD？若存在，確定其位置并證明結論；若不存在，說明理由．

Answer 1

【答案】分析：（1）由直棱柱的定義結合線面垂直的性質與判定，證出BC⊥平面A₁C₁CA，從而BC長即為B點到平面A₁C₁CA的距離，結合題意得到點B到平面A₁C₁CA的距離為2；
（2）分別以AB、CA、CC₁為x、y、z軸，建立如圖所示的空間直角坐標系，可得C、B、A、C₁、B₁、A₁、D和E點的坐標，從而得到的坐標，利用垂直向量數(shù)量積為零的方法建立方程組解出=（1，-1，2）是平面A₁BD的一個法向量，結合=（1，0，0）是平面ACC₁A₁的一個法向量，利用空間向量的夾角公式即可算出二面角B-A₁D-A的大�。�
（3）設F（0，y，0）使得EF⊥平面A₁BD，利用（2）的結論得此時∥，算出并利用向量平行的條件解出y=1，從而得到存在線段AC的中點F，使得EF⊥平面A₁BD．
解答：解：（1）∵A₁B₁C₁-ABC為直三棱住，
∴CC₁⊥底面ABC，結合BC?底面ABC，可得CC₁⊥BC
∵AC⊥CB，AC、CC₁是平面A₁C₁CA內(nèi)的相交直線
∴BC⊥平面A₁C₁CA…（2分）
可得BC長即為B點到平面A₁C₁CA的距離
結合BC=2可得點B到平面A₁C₁CA的距離為2…（4分）
（2）∵A₁B₁C₁-ABC為直三棱住，C₁C=CB=CA=2，
AC⊥CB，D、E分別為C₁C、B₁C₁的中點
∴分別以AB、CA、CC₁為x、y、z軸，建立如圖所示的空間直角坐標系，
得C（0，0，0），B（2，0，0），A（0，2，0），C₁（0，0，2），
B₁（2，0，2），A₁（0，2，2），D（0，0，1），E（1，0，2）…（6分）
∴
設平面A₁BD的法向量為=（1，λ，μ）
可得，即，解之得λ=-1、μ=2
∴=（1，-1，2）…（8分）
又∵=（1，0，0）是平面ACC₁A₁的一個法向量，
∴由，可得二面角B-A₁D-A的大小為…（10分）
（3）在線段AC上存在一點F，設F（0，y，0）使得EF⊥平面A₁BD…（11分）
根據(jù)（2）的結論可知，當且僅當∥時EF⊥平面A₁BD，…（12分）
∵，可得y=1…（13分）
∴存在唯一的一個點F（0，1，0），即AC中點滿足條件
綜上所述，存在線段AC的中點F，使得EF⊥平面A₁BD…（14分）
點評：本題在三棱柱中求點到平面的距離、證明線面垂直并求二面角的大�。�著重考查了直棱柱的性質、利用空間向量的方法探索線面垂直和求面面角等知識，屬于中檔題．