Question

已知長方體ABCD—A₁B₁C₁D₁中，AB=BC=4，AA₁=8，E、F分別為AD和CC₁的中點，O₁為下底面正方形的中心。
（Ⅰ）證明：AF⊥平面FD₁B₁；
（Ⅱ）求異面直線EB與O₁F所成角的余弦值；               

Answer 1

（Ⅰ）證明見解析（Ⅱ）

本題考查空間的線面關系，向量法及其運算。
（Ⅰ）證法一：如圖建立空間直角坐標系。則D₁（0，0，0）、O₁（2，2，0）
B₁（4，4，0）、E（2，0，8）、A（4，0，8）、B（4，4，8）、
F（0，4，4）。            
=（-4，4，-4），=（0，4，4），
=（-4，0，4）          
=0+16-16=0，=16+0-16=0
∴AF⊥平面FD₁B₁.            
證法二：連結BF、DF，則BF是AF在面BC₁上的射影，易證得BF⊥B₁F，
DF是AF在面DC₁上的射影，也易證得DF⊥D₁F，所
以AF⊥平面FD₁B₁.
（Ⅱ）解法一：=（2，4，0），=（-2，2，4）  
設與的夾角為，則
=……
解法二：在B₁C₁上取點H，使B₁H=1，連O₁H和FH。
易證明O₁H∥EB，則∠FO₁H為異面直線EB與F所成角。
又O₁H=BE=，HF==5，
O₁F==2，
∴在△O₁HF中，由余弦定理，得

cos∠FO₁H==