Question

如圖，正方體ABCD-A₁B₁C₁D₁棱長為8，E、F分別為AD₁，CD₁中點(diǎn)，G、H分別為棱DA，DC上動(dòng)點(diǎn)，且EH⊥FG．
（1）求GH長的取值范圍；
（2）當(dāng)GH取得最小值時(shí)，求證：EH與FG共面；并求出此時(shí)EH與FG的交點(diǎn)P到直線B₁B的距離．

Answer 1

分析：（1）以D為原點(diǎn)，建立如圖所示空間直角坐標(biāo)系，設(shè)DG=a，DH=b可得E、F、G、H各點(diǎn)的坐標(biāo)，得到

EH

、

FG

坐標(biāo)，根據(jù)

EH

•

FG

=0，解出b=4-a，根據(jù)距離公式得到GH=

a2+b2

=

2(a-2)2+8

，結(jié)合二次函數(shù)的性質(zhì)即可得到GH長的取值范圍；
（2）由（1）知當(dāng)a=b=2時(shí)，GH取得最小值．由此算出EF∥GH，即EH與FG共面，得

EP

=(-

8

3

，   

4

3

，   -

8

3

)，設(shè)P（x₁，y₁，z₁），得到

EP

=（x₁-4，y，z₁-4），從而建立關(guān)于x₁、y₁、z₁的方程組，解之得P在ABCD平面上的射影M的坐標(biāo)，結(jié)合兩點(diǎn)間的距離公式即可算出P到直線B₁B的距離．

解答：解：（1）以D為原點(diǎn)，DA、DC、DD₁分別為x軸、y軸、z軸建立空間直角坐標(biāo)系．
設(shè)DG=a，DH=b，可得
E（4，0，4），F(xiàn)（0，4，4），G（a，0，0），H（0，b，0）．
∴

EH

=（-4，b，-4），

FG

=（a，-4，-4）．
∵EH⊥FG，∴

EH

•

FG

=-4a-4b+16=0，則a+b=4，即b=4-a．
又G₁H在棱DA，DC上，則0≤a≤8，0≤b≤8，從而0≤a≤4．
∴GH=

a2+b2

=

a2+(4-a)2

=

2(a-2)2+8

．
∴GH取值范圍是[2

2

，4]．        …（6分）
（2）當(dāng)GH=2

2

時(shí)，a=2，b=2．
∴

GH

=（-2，2，0），

EF

=（-4，4，0），即

EF

=2

GH

．
∴EF∥GH，即EH與FG共面．
所以EF=2GH，EF∥GH，則

EP

=

2

3

EH

=(-

8

3

，   

4

3

，   -

8

3

)．
設(shè)P（x₁，y₁，z₁），則

EP

=（x₁-4，y，z₁-4）．
∴x₁=

4

3

，y₁=

4

3

，z₁=

4

3

，即P（

4

3

，

4

3

，

4

3

）．
則P（

4

3

，

4

3

，

4

3

）在底面上ABCD上的射影為M（

4

3

，

4

3

，0）．
又∵B（8，8，0），
∴|MB|=

(8- 4 3 )2+(8- 4 3 )2+(0-0)2

=

20

3

2

，即為點(diǎn)P到直線B₁B的距離．…（12分）

點(diǎn)評(píng)：本題在正方體中求點(diǎn)到直線的距離，著重考查了空間直角坐標(biāo)系的建立、利用空間向量的方法求點(diǎn)線距離和正方體的性質(zhì)等知識(shí)，考查了空間想象能力和計(jì)算能力，屬于中檔題．