Question

在棱长为2的正方体ABCD-A₁B₁C₁D₁中，E，F分别为A₁D₁和CC₁的中点．
（Ⅰ）求证：EF∥平面ACD₁；
（Ⅱ）求异面直线EF与AB所成的角的余弦值；
（Ⅲ）在棱BB₁上是否存在一点P，使得二面角P-AC-B的大小为30°？若存在，求出BP的长；若不存在，请说明理由．

Answer

如图分别以DA、DC、DD1所在的直线为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系D-xyz，先写出各点坐标：
（I）取AD1中点G，则G（1，0，1），=（1，-2，1），又 =（-1，2，-1），证明 与 共线即可；
（II）求出两异面直线的方向向量，用数量积公式求夹角余弦即可，易求；
（III）假设存在，设出点P的空间坐标，根据题设中所给的条件二面角P-AC-B的大小为30°利用数量积公式建立关于引入的参数的方程即可，若求得的参数符合题意，则说明存在，否则说明不存在．
【解析】
如图分别以DA、DC、DD1所在的直线为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系D-xyz，由已知得D（0，0，0）、A（2，0，0）、B（2，2，0）、
C（0，2，0）、B1（2，2，2）、D1（0，0，2）、E（1，0，2）、F（0，2，1）．
（I）取AD1中点G，则G（1，0，1），=（1，-2，1），又 =（-1，2，-1），由 ，
∴与 共线．
从而EF∥CG，
∵CG⊂平面ACD1，EF⊄平面ACD1，
∴EF∥平面ACD1．（6分）
（II）∵=（0，2，0）∴=
（III）假设满足条件的点P存在，可设点P（2，2，t），（0＜t≤2），=（0，2，t），=（-2，2，0）
平面ACP的一个法向量为则∴取=（1，1，），易知平面ABC的一个法向量=（0，0，2）依题意知∴|cos|==解得t=∈（0，2）∴在棱BB1上存在一点P，当BP的长为时，二面角P-AC-B的大小为30°