记 AB 所在直线为 l。C 的轨迹是以 l 为轴、半径为 2 的圆柱面,D 的轨迹是以 l 为轴、半径为 1 的圆柱面。
二面角 C−AB−D 为 60∘,即过 AB 的两个半平面所成角为 60∘,C 和 D 分别在两个半平面上。
对选项 A:∠CAD 的大小取决于 C 和 D 在圆柱面上的具体位置,当 C 和 D 都靠近 AB 在同一侧时,∠CAD 可以很小,A 错误。
对选项 B:利用余弦定理分析。设 C 到 l 的垂足为 HC,D 到 l 的垂足为 HD,则 CHC=2,DHD=1。利用空间向量和二面角关系,可以求出 CD2 的最小值。建立坐标系:设 AB 为 z 轴,C=(2cosα,2sinα,zC),D=(cosβ,sinβ,zD),其中 ∣α−β∣=60∘ 或 120∘。计算 CD2=(2cosα−cosβ)2+(2sinα−sinβ)2+(zC−zD)2,前两项化简为 5−4cos(α−β)≥5−4=1(当 α−β=60∘ 时取等),故 CD≥1,不一定 ≥3。需进一步验证具体取值。
对选项 D:当 AB⊥ 平面 ACD 时,AB⊥AC 且 AB⊥AD,即 AC 和 AD 都垂直于 AB,C 和 D 到 AB 的垂足重合(或 AC、AD 都在垂直于 AB 的平面内),此时 AC⊥AD 取决于二面角是否恰好使两垂线正交。当二面角为 60∘ 时,∠CAD=60∘=90∘,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。