12.如圖,三棱柱ABC-A1B1C1中,AB=BC,AB⊥BC,側(cè)面AA1C1C是菱形,∠A1AC=60°,且側(cè)面AA1C1C⊥底面ABC,點(diǎn)O為線段AC的中點(diǎn),點(diǎn)E為線段BC1上的一動點(diǎn)(不包括端點(diǎn)).
(1)求證:A1O⊥平面A1B1C1
(2)試確定點(diǎn)E的位置,使平面A1AE與平面ABC所成的銳二面角的余弦值為$\frac{1}{4}$.

分析 (1)推導(dǎo)出AA1=AC,△A1AC為等邊三角形,從而A1O⊥AC,進(jìn)而A1O⊥平面ABC,由此能證明A1O⊥平面A1B1C1
(2)連結(jié)OB,由AB=BC,得AC⊥OB,從而A1O⊥OB,A1O⊥AC,以O(shè)為原點(diǎn),分別以O(shè)B,OC,OA1所在直線為x,y,z軸,建立空間直角坐標(biāo)系,利用向量法推導(dǎo)出當(dāng)點(diǎn)E是線段BC1的靠近B的三等分點(diǎn)時,平面A1AE與平面ABC所成的銳二面角的余弦值.

解答 證明:(1)連結(jié)A1C,∵側(cè)面AA1C1C是菱形,
∴AA1=AC,
∵∠A1AC=60°,∴△A1AC為等邊三角形,
又O為AC的中點(diǎn),∴A1O⊥AC,
又側(cè)面AA1C1C⊥底面ABC,交線為AC,A1O?平面AA1C1C,
∴A1O⊥平面ABC,
在三棱柱ABC-A1B1C1中,
平面ABC∥平面A1B1C1,
∴A1O⊥平面A1B1C1
解:(2)連結(jié)OB,由AB=BC,得AC⊥OB,
由(1)知A1O⊥平面ABC,
∴A1O⊥OB,A1O⊥AC,
∴OB,OC,OA1兩兩垂直,
如圖,以O(shè)為原點(diǎn),分別以O(shè)B,OC,OA1所在直線為x,y,z軸,建立空間直角坐標(biāo)系,
設(shè)AC=2,則由題意知B(1,0,0),C(0,1,0),
A1(0,0,$\sqrt{3}$),A(0,-1,0),C1(0,2,$\sqrt{3}$),
$\overrightarrow{A{A}_{1}}=(0,1,\sqrt{3})$,設(shè)$\overrightarrow{BE}$=$λ\overrightarrow{B{C}_{1}}$,0<λ<1,
則(xE-1,yE,zE)=λ(-1,2,$\sqrt{3}$),
∴xE=1-λ,yE=2λ,${z}_{E}=\sqrt{3}λ$,即E(1-λ,2λ,$\sqrt{3}λ-\sqrt{3}$),
設(shè)平面A1AE的一個法向量為$\overrightarrow{n}$=(x,y,z),
則$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{A{A}_{1}}=y+\sqrt{3}z=0}\\{\overrightarrow{n}•\overrightarrow{{A}_{1}E}=(1-λ)x+2λy+\sqrt{3}(λ-1)z=0}\end{array}\right.$,
令z=$\sqrt{3}$,得$\overrightarrow{n}$=($\frac{3(λ+1)}{1-λ}$,-3,$\sqrt{3}$),
由(1)知$\overrightarrow{O{A}_{1}}$=(0,0,$\sqrt{3}$)是平南ABC的一個法向量,
∴|cos<$\overrightarrow{n},\overrightarrow{O{A}_{1}}$>|=$\frac{3}{\sqrt{3}×\sqrt{12+\frac{9(λ+1)^{2}}{(1-λ)^{2}}}}$=$\frac{1}{4}$,
解得$λ=\frac{1}{3}$或λ=3(舍去),
∴當(dāng)點(diǎn)E是線段BC1的靠近B的三等分點(diǎn)時,
平面A1AE與平面ABC所成的銳二面角的余弦值為$\frac{1}{4}$.

點(diǎn)評 本題考查線面垂直的證明,考查滿足二面角的余弦值為$\frac{1}{4}$的點(diǎn)的位置的確定,是中檔題,解題時要認(rèn)真審題,注意向量法的合理運(yùn)用.

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