| 1.4.1 用空间向量研究直线、平面的位置关系 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选择性必修一

第一章 空间向量与立体几何

1.4 空间向量的应用

1.4.1 用空间向量研究直线、平面的位置关系

如图,在直四棱柱$ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$中,底面$ABCD$是边长为$2$的正方形,侧棱$DD_{1}=6$,点$E$$F$分别在侧棱$AA_{1}$$CC_{1}$上,且$A_{1}E=CF=2$

$(1)$求平面$BEF$与平面$ABCD$夹角的余弦值;

$(2)$已知$O$为底面$A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$的中心,在$BB_{1}$上是否存在点$G$,使得$OG//$平面$BEF$?若存在,求出$\dfrac{BG}{B{B}_{1}}$;若不存在,请说明理由.

[["

$(1)$$\\dfrac{\\sqrt{6}}{6}$

$(2)$存在,且$\\dfrac{BG}{B{B}_{1}}=\\dfrac{1}{2}$

"]]

$(1)$

$\because $ 在直四棱柱$ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$中,底面$ABCD$是边长为$2$的正方形,

以点$D$为原点,$DA$$DC$$DD_{1}$所在直线分别为$x$$y$$z$轴,建立如图所示的空间直角坐标系,

$A(2,0,0)$$B(2,2,0)$$E(2,0,4)$$F(0,2,2)$

$\therefore \overrightarrow{AB}=(0,2,0)$$\overrightarrow{BE}=(0,-2,4)$$\overrightarrow{EF}=(-2,2,-2)$

设平面$BEF$的法向量为$\boldsymbol{m}=(x,y,z)$

$\begin{cases}\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{BE}=-2y+4z=0\\ \boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{EF}=-2x+2y-2z=0\end{cases}$

$x=1$,则$\boldsymbol{m}=(1,2,1)$

易知$\boldsymbol{n}=(0,0,1)$是平面$ABCD$的一个法向量,

$\therefore \vert \cos \langle \boldsymbol{m},\boldsymbol{n}\rangle \vert =\dfrac{\vert \boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}\vert }{\vert \boldsymbol{m}\vert \cdot \vert \boldsymbol{n}\vert }=\dfrac{1}{\sqrt{6}}=\dfrac{\sqrt{6}}{6}$

即平面$BEF$与平面$ABCD$夹角的余弦值为$\dfrac{\sqrt{6}}{6}$

$(2)$$(1)$可得$O(1,1,6)$$B_{1}(2,2,6)$$\overrightarrow{B{B}_{1}}=(0,0,6)$

假设存在满足条件的点$G$,设$G(2,2,t)(0\leqslant t\leqslant 6)$

$\therefore \overrightarrow{OG}=(1,1,t-6)$

$\because OG//$平面$BEF$

$\therefore \boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{OG}=1+2+t-6=t-3=0$

解得$t=3$

故当$\dfrac{BG}{B{B}_{1}}=\dfrac{1}{2}$时,$OG//$平面$BEF$

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