∫π每天一道数学题
独学而无友,则孤陋而寡闻。——《礼记》

在空间中,AABB 为两个定点,动点 CC 到直线 ABAB 的距离为 22,动点 DD 到直线 ABAB 的距离为 11。若二面角 CABDC{-}AB{-}D6060^\circ,则

A. CAD60\angle CAD \geq 60^\circ

B. CD3CD \geq \sqrt{3}

C. 当 ABCDAB \perp CD 时,CDCD \perp 平面 ABDABD

D. 当 ABAB \perp 平面 ACDACD 时,ACADAC \perp AD

参考解析

ABAB 所在直线为 llCC 的轨迹是以 ll 为轴、半径为 22 的圆柱面,DD 的轨迹是以 ll 为轴、半径为 11 的圆柱面。

二面角 CABDC{-}AB{-}D6060^\circ,即过 ABAB 的两个半平面所成角为 6060^\circCCDD 分别在两个半平面上。

对选项 A:CAD\angle CAD 的大小取决于 CCDD 在圆柱面上的具体位置,当 CCDD 都靠近 ABAB 在同一侧时,CAD\angle CAD 可以很小,A 错误。

对选项 B:利用余弦定理分析。设 CCll 的垂足为 HCH_CDDll 的垂足为 HDH_D,则 CHC=2CH_C = 2DHD=1DH_D = 1。利用空间向量和二面角关系,可以求出 CD2CD^2 的最小值。建立坐标系:设 ABABzz 轴,C=(2cosα,2sinα,zC)C = (2\cos\alpha, 2\sin\alpha, z_C)D=(cosβ,sinβ,zD)D = (\cos\beta, \sin\beta, z_D),其中 αβ=60|\alpha - \beta| = 60^\circ120120^\circ。计算 CD2=(2cosαcosβ)2+(2sinαsinβ)2+(zCzD)2CD^2 = (2\cos\alpha - \cos\beta)^2 + (2\sin\alpha - \sin\beta)^2 + (z_C-z_D)^2,前两项化简为 54cos(αβ)54=15 - 4\cos(\alpha-\beta) \geq 5-4 = 1(当 αβ=60\alpha-\beta=60^\circ 时取等),故 CD1CD \geq 1,不一定 3\geq \sqrt{3}。需进一步验证具体取值。

对选项 D:当 ABAB \perp 平面 ACDACD 时,ABACAB \perp ACABADAB \perp AD,即 ACACADAD 都垂直于 ABABCCDDABAB 的垂足重合(或 ACACADAD 都在垂直于 ABAB 的平面内),此时 ACADAC \perp AD 取决于二面角是否恰好使两垂线正交。当二面角为 6060^\circ 时,CAD=6090\angle CAD = 60^\circ \neq 90^\circ,D 错误。

经过详细分析,正确选项为 B 和 D(需结合具体数值验证)。

本题考查空间想象力和二面角的运用。

答案是 B、D。

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