字典翻译 问答 小学 数学 二面角的平面角及求法!在三棱柱ABC-A1B1C1中,H是正方形AA1B1B的中心,AA1=22,C1H⊥平面AA1B1B,且C1H=5.(Ⅰ)求异面直线AC与A1B1所成角的余弦值;(Ⅱ)求二面角A-A1C1-B1的正弦值;(Ⅲ)设N为棱B1C1
问题标题:
二面角的平面角及求法!在三棱柱ABC-A1B1C1中,H是正方形AA1B1B的中心,AA1=22,C1H⊥平面AA1B1B,且C1H=5.(Ⅰ)求异面直线AC与A1B1所成角的余弦值;(Ⅱ)求二面角A-A1C1-B1的正弦值;(Ⅲ)设N为棱B1C1
问题描述:

二面角的平面角及求法!

在三棱柱ABC-A1B1C1中,H是正方形AA1B1B的中心,AA1=22,C1H⊥平面AA1B1B,且C1H=5.

(Ⅰ)求异面直线AC与A1B1所成角的余弦值;

(Ⅱ)求二面角A-A1C1-B1的正弦值;

(Ⅲ)设N为棱B1C1的中点,点M在平面AA1B1B内,且MN⊥平面A1B1C1,求线段BM的长.

祁国俊回答:
  方法一:如图所示,建立空间直角坐标系,点B为坐标原点.   依题意得A(22,0,0),B(0,0,0),C(2,-2,5)A1(22,22,0),B1(0,22,0),C1(2,2,5)   易得AC→=(-2,-2,5),A1B1→=(-22,0,0),   于是cos〈AC→,A&1B1→>=AC→•A1B1→|AC→|•|A1B1→|=43×22=23,   所以异面直线AC与A1B1所成角的余弦值为23.   (II)易知AA1→=(0,22,0),A1C1→=(-2,-2,5).   设平面AA1C1的法向量m→=(x,y,z),   则{m→•A1C1→=0m→•AA1→=0即{-2x-2y+5z=022y=0.   不妨令x=5,可得m→=(5,0,2),   同样地,设平面A1B1C1的法向量n→=(x,y,z),   则{n→•A1C1→=0n→•A1B1→=0即{-2x-2y+5z=0-22x=0.不妨令y=5,   可得n=(0,5,2).   于是cos<m→,n→>=m→•n→|m→||n→|=27•7=27,   从而sin<m→,n→>=357.   所以二面角A-A1C1-B的正弦值为357.   (III)由N为棱B1C1的中点,   得N(22,322,52).设M(a,b,0),   则MN→=(22-a,322-b,52)   由MN⊥平面A1B1C1,得{MN→•A1B1→=0MN→•A1B1→=0   即{(22-a)•(-22)=0(22-a)•(-2)+(322-b)•(-2)+52•5=0.   解得{a=22b=24.故M(22,24,0).   因此BM→=(22,24,0),所以线段BM的长为|BM→|=104.   方法二:   由于AC∥A1C1,故∠C1A1B1是异面直线AC与A1B1所成的角.   因为C1H⊥平面AA1B1B,又H为正方形AA1B1B的中心,AA1=22,C1H=5,   可得A1C1=B1C1=3.   因此cos∠C1A1B1=A1C12+A1B12-B1C122A1C1•A1B1=23.   所以异面直线AC与A1B1所成角的余弦值为23.   (II)连接AC1,易知AC1=B1C1,   又由于AA1=B1A1,A1C1=A1=C1,   所以△AC1A1≌△B1C1A,过点A作AR⊥A1C1于点R,   连接B1R,于是B1R⊥A1C1,故∠ARB1为二面角A-A1C1-B1的平面角.   在Rt△A1RB1中,B1R=A1B1•sin∠RA1B1=22•1-(23)2=2143.   连接AB1,在△ARB1中,AB1=4,AR=B1R,cos∠ARB1=AR2+B1R2-AB122AR•B1R=-27,   从而sin∠ARB1=357.   所以二面角A-A1C1-B1的正弦值为357.   (III)因为MN⊥平面A1B1C1,所以MN⊥A1B1.   取HB1中点D,连接ND,由于N是棱B1C1中点,   所以ND∥C1H且ND=12C1H=52.   又C1H⊥平面AA1B1B,   所以ND⊥平面AA1B1B,故ND⊥A1B1.   又MN∩ND=N,   所以A1B1⊥平面MND,连接MD并延长交A1B1于点E,   则ME⊥A1B1,故ME∥AA1.   由DEAA1=B1EB1A1=B1DB1A=14,   得DE=B1E=22,延长EM交AB于点F,   可得BF=B1E=22.连接NE.   在Rt△ENM中,ND⊥ME,故ND2=DE•DM.   所以DM=ND2DE=524.   可得FM=24.   连接BM,在Rt△BFM中,BM=FM2+BF2=104.
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