三、解答题
(17)(本小题共14分)
如图,ABCD-A1B1C1D1是正四棱柱.
(Ⅰ)求证:BD⊥平面ACC1A1;
(Ⅱ)若二面角C1-BD-C的大小为60°,求异面直线BC1与AC所成角的大小.
解法一:
(Ⅰ)∵ABCD-A1B1C1D1是正四棱柱,
∴CC1⊥平面ABCD,
∴BD⊥CC1.
∵ABCD是正方形,
∴BD⊥AC.
又∵AC,CC1平面ACC1A1,且AC∩CC1=C,
∴BD⊥平面ACC1A1.
(Ⅱ)设BD与AC相交于O,连接C1O.
∵CC1⊥平面ABCD,BD⊥AC,
∴BD⊥C1O,
∴∠C1OC是二面角C1-BD-C的平面角,
∴∠C1OC=60°.
连接A1B.
∵A1C1∥AC,
∴∠A1C1B是BC1与AC所成角.
设BC=a,则CO=a,CC1=CO·tan60°=a,A1B=BC1=a,
A1C1=a.
在△A1BC1中,由余弦定理得
cosA1C1B=,
∴∠A1C1B=arccos,
∴异面直线BC1与AC所成角的大小为arccos.
解法二:
(Ⅰ)建立空间直角坐标系D-xyz,如图.
设AD=a,DD1=b,则有D(0,0,0),A(a,0,0),B(a,a,0),C(0,a,0),C1(0,a,b),
∴=(-a,-a,0),=(-a,a,0),=(0,0,b),
∴·=0,·=0,
∴BD⊥AC,BD⊥CC1.
又∵AC,CC1平面ACC1A1,且AC∩CC1=C,
∴BD⊥平面ACC1A1.
(Ⅱ)设BD与AC相交于O,连接C1O,则点O坐标为(),=(-).
∵=0,
∴BD⊥C1O,又BD⊥CO,
∴∠C1OC是二面角C1-BD-C的平面角,
∴∠C1OC=60°.
∵tanC1OC=,
∴b=a.
∵=(-a,a,0),=(-a,0,b),
∴cos<,>=.
∴异面直线BC1与AC所成角的大小为arccos.
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