Question

如圖，在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中，底面ABCD為等腰梯形，AB∥CD，AB＝4，BC＝CD＝2，AA1＝2，E，E1，F分別是棱AD，AA1，AB的中點．

(1)證明：直線EE1∥平面FCC1；

(2)求二面角B-FC1-C的余弦值．

 

Answer 1

（1）見解析（2）

【解析】(1)證明　

法一　取A1B1的中點F1，連接FF1，C1F1，由于FF1∥BB1∥CC1，

所以F1∈平面FCC1，

 

因此平面FCC1，即為平面C1CFF1.，連接A1D，F1C，由于 CD，

所以四邊形A1DCF1為平行四邊形，因此A1D∥F1C.又EE1∥A1D，得EE1∥F1C.

而EE1?平面FCC1，F1C?平面FCC1，故EE1∥平面FCC1.

法二　因為F為AB的中點，CD＝2，AB＝4，AB∥CD，所以CD AF.

因此四邊形AFCD為平行四邊形，所以AD∥FC.

又CC1∥DD1，FC∩CC1＝C，FC?平面FCC1，CC1?平面FCC1，

所以平面ADD1A1∥平面FCC1.又EE1?平面ADD1A1，所以EE1∥平面FCC1.

(2)解　法一　取FC的中點H，由于FC＝BC＝FB，所以BH⊥FC.又BH⊥CC1，CC1∩FC＝C.所以BH⊥平面FCC1.過H作HG⊥C1F于G，連接BG.由于HG⊥C1F，BH⊥平面FCC1，所以C1F⊥平面BHG.因此BG⊥C1F，所以∠BGH為所求二面角的平面角．在Rt△BHG中，BH＝，

又FH＝1，且△FCC1為等腰直角三角形，所以HG＝，BG＝＝，因此cos∠BGH＝＝＝，

即所求二面角的余弦值為.

法二　過D作DR⊥CD交AB于R，以D為坐標原點建立如圖所示的空間直角坐標系，則F(，1,0)，B(，3,0)，C(0,2,0)，C1(0,2,2)．

所以＝(0,2,0)，＝(－，－1,2)，＝(，3,0)．

由FB＝CB＝CD＝DF，所以DB⊥FC.又CC1⊥平面ABCD，

所以為平面FCC1的一個法向量．

設平面BFC1的一個法向量為n＝(x，y，z)，

則由得即取x＝1，得

因此n＝，所以cos〈，n〉＝=.

故所求二面角的余弦值為.