Question

如圖，已知正四棱柱ABCD-A₁B₁C₁D₁中，底面邊長AB=2，側棱BB₁的長為4，過點B作B₁C的垂線交側棱CC₁于點E，交B₁C于點F．
（Ⅰ）求證：A₁C⊥平面BED；
（Ⅱ）求A₁B與平面BDE所成的角的正弦值．

Answer 1

（ I）如圖，以D為原點，DA、DC、DD₁所在直線分別為x、y、z軸，
建立空間直角坐標系D-xyz如圖所示，可得
D（0，0，0），A（2，0，0），B（2，2，0），C（0，2，0），
A₁（2，0，4），B₁（2，2，4），C₁（0，2，4），D₁（0，0，4）…（2分）
設E（0，2，t），則

BE

=(-2，0，t)，

B1C

=(-2，0，-4)．
∵BE⊥B₁C，
∴可得

BE

•

B1C

=4+0-4t=0．解之得t=1，
∴E（0，2，1），且

BE

=(-2，0，1)．
又∵

A1C

=(-2，2，-4)，

DB

=(2，2，0)，…（4分）
∴

A1C

•

BE

=4+0-4=0
且

A1C

•

DB

=-4+4+0=0…（6分）
∴

A1C

⊥

DB

且

A1C

⊥

BE

．
∵BD、BE是平面BDE內的相交直線．
∴

A1C

⊥平面BDE…（8分）
（Ⅱ）由（Ⅰ）所建的坐標系，得

A1C

=(-2，2，-4)是平面BDE的一個法向量，
又∵

A1B

=(0，2，-4)，
∴cos＜

A1C

，

A1B

＞=

A1C • A1B

| A1C || A1B |

=

30

6

，
因此，可得A₁B與平面BDE所成角的正弦值為

30

6

…（12分）