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如图1­6所示,四棱柱ABCD ­A1B1C1D1的所有棱长都相等,ACBDOA1C1B1D1O1,四边形ACC1A1和四边形BDD1B1均为矩形.

(1)证明:O1O⊥底面ABCD

(2)若∠CBA=60°,求二面角C1­OB1­D的余弦值.

图1­6


解:(1)如图(a),因为四边形ACC1A1为矩形,所以CC1AC.同理DD1BD.

因为CC1DD1,所以CC1BD.而ACBDO,因此CC1⊥底面ABCD.

由题设知,O1OC1C.故O1O⊥底面ABCD.

(2)方法一: 如图(a),过O1O1HOB1H,连接HC1.

由(1)知,O1O⊥底面ABCD,所以O1O⊥底面A1B1C1D1,于是O1OA1C1.

图(a)

又因为四棱柱ABCD ­A1B1C1D1的所有棱长都相等,所以四边形A1B1C1D1是菱形,

因此A1C1B1D1,从而A1C1⊥平面BDD1B1,所以A1C1OB1,于是OB1⊥平面O1HC1.

进而OB1C1H.故∠C1HO1是二面角C1­OB1­D的平面角.

不妨设AB=2.因为∠CBA=60°,所以OBOC=1,OB1.

在Rt△OO1B1中,易知O1H=2.而O1C1=1,于是C1H

即二面角C1­OB1­D的余弦值为.

方法二:因为四棱柱ABCD ­A1B1C1D1的所有棱长都相等,所以四边形ABCD是菱形,因此ACBD.又O1O⊥底面ABCD,从而OBOCOO1两两垂直.

图(b)

如图(b),以O为坐标原点,OBOCOO1所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立空间直角坐标系O ­xyz,不妨设AB=2.因为∠CBA=60°,所以OBOC=1,于是相关各点的坐标为O(0,0,0),

B1(,0,2),C1(0,1,2).

易知,n1=(0,1,0)是平面BDD1B1的一个法向量.

故二面角C1­OB1­D的余弦值为.


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