8056. Основание прямой треугольной призмы
ABCA_{1}B_{1}C_{1}
— равнобедренный прямоугольный треугольник с катетами
AC=BC=a
. Вершины
M
и
N
правильного тетраэдра
MNPQ
лежат на прямой
CA_{1}
, а вершины
P
и
Q
— на прямой
AB_{1}
. Найдите:
а) объём призмы;
б) расстояние между серединами отрезков
MN
и
PQ
.
Ответ. а)
\frac{a^{3}}{2}
; б)
\frac{a}{\sqrt{6}}
.
Указание. Отрезок, соединяющий середины противоположных рёбер правильного тетраэдра, является общим перпендикуляром прямых, содержащих эти рёбра.
Решение. Поскольку противоположные рёбра
MN
и
PQ
правильного тетраэдра перпендикулярны, перпендикулярны и содержащие их прямые
CA_{1}
и
AB_{1}
(рис. 1). Поскольку
B_{1}C_{1}\perp A_{1}C_{1}
и
B_{1}C_{1}\perp CC_{1}
, то
B_{1}C_{1}
— перпендикуляр к плоскости
AA_{1}C_{1}C
, а так как
AC_{1}
— ортогональная проекция наклонной
AB_{1}
на плоскость
AA_{1}C_{1}C
, то по теореме о трёх перпендикулярах
AC_{1}\perp CA_{1}
. Значит, прямоугольник
AA_{1}C_{1}C
— квадрат. Поэтому боковые рёбра данной призмы равны
a
. Следовательно,
V_{ABCA_{1}B_{1}C_{1}}=S_{\triangle ABC}\cdot AA_{1}=\frac{1}{2}a^{2}\cdot a=\frac{1}{2}a^{3}.

Прямая
A_{1}C
перпендикулярна плоскости
AB_{1}C_{1}
, так как она перпендикулярна пересекающимся прямым
B_{1}C_{1}
и
AC_{1}
этой плоскости. Пусть
F
— центр квадрата
AA_{1}C_{1}C
. Тогда перпендикуляр
FH
, опущенный из точки
F
на прямую
AB_{1}
, есть общий перпендикуляр скрещивающихся прямых
CA_{1}
и
AB_{1}
. Рассмотрим прямоугольный треугольник
AB_{1}C_{1}
(рис. 2). Обозначим
\angle B_{1}AC_{1}=\alpha
. Тогда
\tg\alpha=\frac{B_{1}C_{1}}{AC_{1}}=\frac{1}{\sqrt{2}},~\cos\alpha=\sqrt{\frac{2}{3}},~\sin\alpha=\frac{1}{\sqrt{3}},

FH=AF\sin\angle FAH=\frac{a}{\sqrt{2}}\cdot\sin\alpha=\frac{a}{\sqrt{2}}\cdot\frac{1}{\sqrt{3}}=\frac{a}{\sqrt{6}}.

Поскольку отрезок, соединяющий середины противоположных рёбер правильного тетраэдра, является общим перпендикуляром прямых, содержащих эти рёбра, то длина
FH
и есть искомое расстояние.