Question

正方體ABCD-A₁B₁C₁D₁的棱長為2，且AC與BD交于點O，E為棱DD₁中點，以A為原點，建立空間直角坐標系A-xyz，如圖所示．
（Ⅰ）求證：B₁O⊥平面EAC；
（Ⅱ）若點F在EA上且B₁F⊥AE，試求點F的坐標；
（Ⅲ）求二面角B₁-EA-C的正弦值．

Answer 1

分析：（Ⅰ）由條件向量

B1O

，向量

AC

、

AE

，計算

B1O

•

AC

=0，

B1O

•

AE

=0，即可證明B₁O⊥平面EAC；
（Ⅱ）若點F在EA上設點F的坐標為F（0，2λ，λ），，利用B₁F⊥AE，

B1F

•

AE

=0，求出λ，再求點F的坐標；
（Ⅲ）B₁O⊥平面EAC，B₁F⊥AE，連接OF，由三垂線定理的逆定理得OF⊥AE，∠OFB₁即為二面角B₁-EA-C的平面角，可以求二面角B₁-EA-C的正弦值．

解答：證明：（I）由題設知下列各點的坐標
A（0，0，0），B（2，0，0），C（2，2，0），
D（0，2，0），E（0，2，1），B₁（2，0，2）．
∵O是正方形ABCD的中心，∴O（1，1，0）．
∴

B1O

=（-1，1，-2），

AC

=（2，2，0），

AE

=（0，2，1）．
（2分）
∴

B1O

•

AC

=（-1，1，-2）•（2，2，0）
=-1•2+1•2-2•0=0．

B1O

•

AE

=（-1，1，-2）•（0，2，1）
=-1•0+1•2-2•1=0．
∴

B1O

⊥

AC

，

B1O

⊥

AE

，
即B₁O⊥AC，B₁O⊥AE，
∴B₁O⊥平面ACE．（4分）

（2）由F點在AE上，可設點F的坐標為F（0，2λ，λ），（5分）
則

B1F

=（-2，2λ，l-2）．（6分）
∵

B1F

⊥

AE

，
∴

B1F

•

AE

=（-2，2λ，λ-2）•（0，2，1）=5λ-2=0，（7分）
∴λ=

2

5

，
∴F（0，

4

5

，

2

5

）．（8分）

（III）∵B₁O⊥平面EAC，B₁F⊥AE，連接OF，由三垂線定理的逆定理得OF⊥AE．
∴∠OFB₁即為二面角B₁-EA-C的平面角．（9分）
∴|

B1O

|=

(-1)2+12+(-2)2

=

6

（10分）
又

B1F

=（-2，

4

5

，-

8

5

），
∴|

B1F

|=

(-2)2+( 4 5 )2+(- 8 5 )2

=

6 5

5

．（11分）
在Rt△B₁OF中，sin∠B₁FO=

|B1O|

| B1F |

=

30

6

．
故二面角B₁-EA-C的正弦值為

30

6

．（12分）

點評：本題考查直線與平面垂直的判定，二面角的求法，考查空間想象能力，邏輯思維能力，是中檔題．