Question

如圖5：正方體ABCD-A₁B₁C₁D₁，過線段BD₁上一點(diǎn)P（P平面ACB₁）作垂直于D₁B的平面分別交過D₁的三條棱于E、F、G．

(1)求證：平面EFG∥平面A CB₁，并判斷三角形類型；

(2)若正方體棱長為a，求△EFG的最大面積，并求此時(shí)EF與B₁C的距離．

Answer 1

（1）見解析（2）·a

解析:

(證明（1）用純粹的幾何方法要輾轉(zhuǎn)證明EF∥AC，EG∥B₁C，F(xiàn)G∥AB₁來證明，而我們借用向量法使問題代數(shù)化，運(yùn)算簡潔，思路簡單明了．)

(1)分析：要證平面EFG平面ACB₁，由題設(shè)知只要證BD₁垂直平面ACB₁即可．

證明：以D為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間直角坐標(biāo)系，如圖5，不妨設(shè)正方體棱長為a，則A（a，0，0），B（a，a，0），C（0，a，0），D₁（0，0，a），B₁（a，a，a），E（x_E，0，a），F(xiàn)（0，y_F，a），G（0，0，z_G）．

∴=（－a，－a，a），=（0，a，a），（－x_E，y_F，0），=（－a，a，0），=（－a，0，－a），

∵·=(－a，－a，a)·(0，a，a)=0，

∴⊥ ，

同理 ⊥，

而與不共線且相交于點(diǎn)A，

∴⊥平面ACB₁，又已知⊥平面EFG，

∴ 平面EFG∥平面ACB₁；

又因?yàn)?sub>⊥平面EFG，所以 ⊥，

則·=0， 

即 (－a，－a，a)·(－x_E，y_F，0)=0，

化簡得  x_E－y_F=0；

同理    x_E－z_G=0,  y_F－z_G=0，

易得   ==，

 ∴  △EFG為正三角形．

(2)解：因?yàn)椤鱁FG是正三角形，顯然當(dāng)△EFG與△A₁C₁D重合時(shí)，△EFG的邊最長，其面積也最大，此時(shí)，=A₁C₁=·a，

 ∴=

         = ·sin60⁰

         = (·a)2·

         =·a2  ．

此時(shí)EF與B₁C的距離即為A₁C₁與B₁C的距離，由于兩異面直線所在平面平行，所求距離轉(zhuǎn)化為求點(diǎn)B₁到平面 A₁C₁D的距離，記A₁C₁與B₁D₁交于點(diǎn)O₁，作O₁H∥D₁B并交BB₁于點(diǎn)H，則O₁H⊥平面A₁C₁D，垂足為O₁，則O₁(，，a)，H(a，a，)，而作為平面A₁C₁D的法向量，

所以異面直線EF與B₁C的距離設(shè)為d是

d = ==·a．

(證明（2）時(shí)一般要找到求這兩平面距離的兩點(diǎn)，如圖5*，而這兩點(diǎn)為K與J，在立體圖形中較難確定，且較難想到通過作輔助線DO₁，OB₁來得到，加上在如此復(fù)雜的空間圖形中容易思維混亂，但只要借助平面法向量求線段的射影長度的思想，結(jié)合題設(shè)，使思路清晰明了，最終使問題的解決明朗化；把握這種思想，不管是空間線線距離，線面距離，面面距離問題，一般我們都能轉(zhuǎn)化成點(diǎn)線或點(diǎn)面距離，再借助平面法向量很好地解決了．)