Question

用平行于棱錐底面的平面去截棱錐，則截面與底面之間的部分叫棱臺．如圖，在四棱臺ABCD-A₁B₁C₁D₁中，下底ABCD是邊長為2的正方形，上底A₁B₁C₁D₁是邊長為1的正方形，側棱DD₁⊥平面ABCD，DD₁=2．
（Ⅰ）求證：B₁B∥平面D₁AC；
（II）求平面B₁AD₁與平面CAD₁夾角的余弦值．

Answer 1

分析：（Ⅰ）建立空間直角坐標系，證明

D1E

=

B1B

，可得B₁B∥D₁E，利用線面平行的判定，可得B₁B∥平面D₁AC；
（II）求得平面B₁AD₁、平面D₁AC的一個法向量，利用向量的夾角公式，即可求平面B₁AD₁與平面CAD₁夾角的余弦值．

解答：（Ⅰ）證明：以D為原點，以DA、DC、DD₁所在直線分別為x軸，z軸建立空間直角坐標系D-xyz，如圖，則有A（2，0，0），B（2，2，0），C（0，2，0），A₁（1，0，2），B₁（1，1，2），C₁（0，1，2），D₁（0，0，2）．…（3分）
設AC∩BD=E，連接D₁E，則有E（1，1，0），

D1E

=

B1B

=（1，1，-2），所以B₁B∥D₁E，
∵B₁B?平面D₁AC，D₁E?平面D₁AC
∴B₁B∥平面D₁AC；…（6分）
（II）解：

D1B1

=(1，1，0)，

D1A

=(2，0，-2)
設

n

=(x，y，z)為平面B₁AD₁的法向量，則

n • B1D1 =0 n • D1A =0

，即

x+y=0 2x-2z=0

，
于是可取

n

=(1，-1，1)…（8分）
同理可以求得平面D₁AC的一個法向量

m

=(1，1，1)，…（10分）
∴cos＜

m

，

n

＞=

m • n

| m || n |

=

1

3

∴平面B₁AD₁與平面CAD₁夾角的余弦值為

1

3

．…（12分）

點評：本題考查了線面平行的判定，考查二面角平面角，考查利用向量方法解決立體幾何問題，屬于中檔題．