Question

（2007•盐城一模）如图，在直三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，∠ACB=90°，AC=2，BC=BB₁=1，D是棱A₁C₁的中点．
（1）设平面BB₁D与棱AC交于点E，确定点E的位置并给出理由；
（2）求直线AB与平面BB₁D所成角的大小；
（3）求二面角B-AD-B₁的大小．

Answer 1

分析：（1）证明：E是AC的中点．由题意可得：B₁B∥平面A₁CC₁A，再根据线面平行的性质定理可得：DE∥B₁B，即可得到DE∥A₁A，进而得到答案．
（2）由几何体的结构得：平面BB₁DE⊥底面ABC．过A点作AM⊥BE，M是垂足，M在BE的延长线上，可得AM⊥平面BB₁DF，所以∠ABM就是直线AB与平面BDB₁所成角，再利用解三角形的知识求出答案即可（3）根据线段的长度关系可得：AB²=AD²+BD²，即AD⊥DB．在△ADB₁中，由余弦定理可得：∠ADB₁=120⁰，所以∠DAB₁=∠DB₁A=30°．过点D作DP⊥AD，垂足为P，则∠PDB是二面角B-AD-B₁的平面角，再利用解三角形的有关知识求出二面角的平面角即可．

解答：解：（1）证明：E是AC的中点．              …（1分）
由棱柱的性质知B₁B∥平面A₁CC₁A，
∵AB⊆平面ABD，平面A₁CC₁A∩平面BB₁D=DE，
∴所以DE∥B₁B，
∴DE∥A₁A，
因为D是A₁C₁的中点，
所以E是AC中点．…（4分）
（2）∵BB₁⊥底面，
∴平面BB₁DE⊥底面ABC．
过A点作AM⊥BE，M是垂足，M在BE的延长线上，
∴AM⊥平面BB₁DF
所以，∠ABM就是直线AB与平面BDB₁所成角．…（6分）
在直角△ACB中，AB=

5

，又因为∠BEC=∠AEM=45°，
所以AM=

2

2

，
∴sin∠ABM=

2 2

5

=

10

10

，∠ABM=arcsin

10

10

．　　　　　     …（8分）
（3）如图，由题意可得：在直角AA₁D中AD=

2

，在直角△BB₁D中BD=

3

，在直角△ACB中AB=

5

，
∴AB²=AD²+BD²，
∴AD⊥DB．
在△ADB₁中，AD=DB1=

2

，AB1=

6

，
∴由余弦定理可得：∠ADB₁=120⁰，所以∠DAB₁=∠DB₁A=30°．
过点D作DP⊥AD，垂足为P，则∠PDB是二面角B-AD-B₁的平面角． …（11分）
连接BP，所以在等腰△ADB₁中DP=

6

3

，B1P=

6

3

，在直角△ABB₁中，BP=1，
所以在△PDB中，由余弦定理可得：cos∠PDB=

DP2+DB2-PB2

2DP•DB

=

( 6 3 )2+( 3 )2-1

2× 6 3 × 3

=

2 2

3

，
∴二面角B-AD-B₁的大小为arccos

2 2

3

．                        …（14分）

点评：解决此类问题的关键是熟练掌握几何体的结构特征，进而得到空间中点、线、面的位置关系，结合有关定理进行证明即可，并且也有利于建立空间之间坐标系，利用向量的有关知识解决空间角与空间距离等问题．