Question

（本小題滿分12分）
正四棱柱ABCD—A₁B₁C₁D₁中，已知AB=2，E，F分別是D₁B，AD的中點，
（1）建立適當的坐標系，求出E點的坐標；
（2）證明：EF是異面直線D₁B與AD的公垂線；
（3）求二面角D₁—BF—C的余弦值.

Answer 1

（1）E點坐標為（1，1，1）. （2）見解析；（3）二面角D₁—BF—C的余弦值為.

(1)以D為原點，DA，DC，DD₁所在直線為x軸，y軸，z軸，建立空間直角坐標系，則易確定A、B、C的坐標分別為A（2，0，0）、B（2，2，0）、C（0，2，0）.設D­₁（0，0，2m）（m>0），則E（1, 1, m）.

(2)利用向量垂直的坐標運算證明和即可.
(3)利用向量法求二面角，首先求出兩個面的法向量，再根據法向量的夾角與二面角相等或互補來求二面角的大小.
（1）以D為原點，DA，DC，DD₁所在直線為x軸，y軸，z軸，建立空間直角坐標系，則A、B、C的坐標分別為A（2，0，0）、B（2，2，0）、C（0，2，0）.
設D­₁（0，0，2m）（m>0），則E（1, 1, m）.

故E點坐標為（1，1，1）.                                 …………………4分
（2）由（I）可知，正四棱柱ABCD—A₁B₁C₁D₁是棱長為2的正方體.
又∵FD=1， ∴F（1，0，0），

故EF是AD與D₁B的公垂線.                                 …………………8分
（3）設n⊥平面FD₁B，n=（x，y，z）


取n₀=（2，－1，1），                              …………………10分
則n₀與所成角θ等于二面角D₁—FB—C的平面角，

∴二面角D₁—BF—C的余弦值為                         …………………12分
解法二：（Ⅲ）延長CD交BF延長線于P，作DN⊥BP于N，連ND₁，
∵DD₁⊥平面ABCD，      ∴ND₁⊥BP，
∴∠DND₁就  是二面角D₁—FD—C的平面角.      ……10分
在Rt△DFP中，DP=2，FD=1，FP=，  

∴二面角D₁—BF—C的余弦值為.   ……………………12分