Question

如圖，在三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，所有的棱長都為2，∠A₁AC=60°
（Ⅰ）求證：A₁B⊥AC；
（Ⅱ）當(dāng)三棱柱ABC-A₁B₁C₁的體積最大時(shí)，求平面A₁B₁C₁與平面ABC所成的銳角的余弦值．

Answer 1

（Ⅰ）證明：取AC的中點(diǎn)O，連接A₁O，BO，
在三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，
所有棱長都為2，∠A₁AC=60°，
則A₁O⊥AC，BO⊥AC，A₁O∩BO=O，…（2分）
所以AC⊥平面A₁BO而A₁B?平面A₁BO，
∴AC⊥A₁B．…（4分）
（Ⅱ）解：當(dāng)三棱柱ABC-A₁B₁C₁的體積最大時(shí)，
點(diǎn)A₁到平面ABC的距離最大，
此時(shí)A₁O⊥平面ABC．…（6分）
設(shè)平面ABC與平面A₁B₁C的交線為l，
在三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，A₁B₁∥AB，AB∥平面A₁B₁C，
∴AB∥l，…（8分）
過點(diǎn)O作OH⊥l交于點(diǎn)H，連接A₁H．由OH⊥l，A₁O⊥l知l⊥平面A₁OH，
∴l(xiāng)⊥A₁H，故∠A₁HO為平面A₁B₁C與平面ABC所成二面角的平面角．…（10分）
在Rt△OHC中，OC==1，∠OCH=∠BAC=60°，則，
在Rt△A₁OH中，，，．…（12分）
即平面A₁B₁C與平面ABC所成銳角的余弦值為．
分析：（Ⅰ）取AC的中點(diǎn)O，連接A₁O，BO，在三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，所有棱長都為2，∠A₁AC=60°，則A₁O⊥AC，BO⊥AC，A₁O∩BO=O，由此能夠證明AC⊥A₁B．
（Ⅱ）當(dāng)三棱柱ABC-A₁B₁C₁的體積最大時(shí)，點(diǎn)A₁到平面ABC的距離最大，此時(shí)A₁O⊥平面ABC．設(shè)平面ABC與平面A₁B₁C的交線為l，在三棱柱ABC-A₁B₁C₁中，A₁B₁∥AB，AB∥平面A₁B₁C，所以AB∥l．由此能夠求出平面A₁B₁C與平面ABC所成銳角的余弦值．
點(diǎn)評(píng)：本題考查異面直線垂直的證明和平面A₁B₁C₁與平面ABC所成的銳角的余弦值．對(duì)數(shù)學(xué)思維的要求比較高，有一定的探索性．綜合性強(qiáng)，難度大，易出錯(cuò)．解題時(shí)要認(rèn)真審題，注意合理地進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)化．