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| 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如下,仅供参考!
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,已知多面体$ABCDEF$的底面$ABCD$为矩形,四边形$BDEF$为平行四边形,平面$FBC\perp$平面$ABCD$,$FB=FC=BC=1$,$AB=2$,$G$是$CF$的中点.
$(1)$证明:$BG//$平面$AEF$;
$(2)$在棱$CF$(不包括端点)上是否存在点$P$,使得平面$BDP$与平面$BCF$的夹角为$60^\circ$?若存在,求$CP$的长度;若不存在,请说明理由.
$(1)$证明见解析;
$(2)$不存在,理由见解析.
"]]$(1)$证明:如图,取$BC$中点$N$,取$AD$中点$M$,连接$FN$,$MN$,
$\because \triangle FBC$为等边三角形,
$\therefore FN\perp BC$,
$\because $ 平面$FBC\perp$平面$ABCD$,
又$FN\subset$平面$FBC$,平面$FBC\cap$平面$ABCD=BC$,
$\therefore FN\perp$平面$ABCD$,
又底面$ABCD$为矩形,则$NM\perp NB$,
以$N$为坐标原点,$\overrightarrow{NM}$,$\overrightarrow{NB}$,$\overrightarrow{NF}$方向分别为$x$轴,$y$轴,$z$轴的正方向,建立空间直角坐标系$N-xyz$,
由题意可得,$A\left(2,\dfrac{1}{2},0\right)$,$B\left(0,\dfrac{1}{2},0\right)$,$C\left(0,-\dfrac{1}{2},0\right)$,$D\left(2,-\dfrac{1}{2},0\right)$,$F\left(0,0,\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$,
已知$G$是$CF$的中点.则$G\left(0,-\dfrac{1}{4},\dfrac{\sqrt{3}}{4}\right)$,
可知$\overrightarrow{BG}=\left(0,-\dfrac{3}{4},\dfrac{\sqrt{3}}{4}\right)$,$\overrightarrow{AF}=\left(-2,-\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$,$\overrightarrow{BD}=(2,-1,0)$,
由四边形$BDEF$为平行四边形,
得$\overrightarrow{AE}=\overrightarrow{AF}+\overrightarrow{BD}=\left(0,-\dfrac{3}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$,
设平面$AEF$的法向量$\boldsymbol {n}=(x,y,z)$,
则$\begin{cases}{\boldsymbol {n}\cdot \overrightarrow{AF}=0}\\ {\boldsymbol {n}\cdot \overrightarrow{AE}=0}\end{cases}$,则$\begin{cases}-2x-\dfrac{1}{2}y+\dfrac{\sqrt{3}}{2}z=0\\ -\dfrac{3}{2}y+\dfrac{\sqrt{3}}{2}z=0\end{cases}$,
取$z=\sqrt{3}$,得$y=1$,$x=\dfrac{1}{2}$,
则平面$AEF$的一个法向量$\boldsymbol {n}=\left(\dfrac{1}{2},1,\sqrt{3}\right)$,
故$\overrightarrow{BG}\cdot \boldsymbol {n}=0\times \dfrac{1}{2}-\dfrac{3}{4}\times 1+\dfrac{\sqrt{3}}{4}\times \sqrt{3}=0$,
则$\overrightarrow{BG}\perp \boldsymbol {n}$.且$BG\not\subset$平面$AEF$,
则$BG//$平面$AEF$.
$(2)$设$\overrightarrow{CP}=\lambda \overrightarrow{CF},\lambda \in (0,1)$,设$P(a,b,c)$,
$\because C\left(0,-\dfrac{1}{2},0\right)$,$F\left(0,0,\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$,
$\therefore \left(a,b+\dfrac{1}{2},c\right)=\lambda \left(0,\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$,于是有$P\left(0,\dfrac{1}{2}\lambda -\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\lambda \right)$,
$\therefore \overrightarrow{BP}=\left(0,\dfrac{1}{2}\lambda -1,\dfrac{\sqrt{3}}{2}\lambda \right)$,
又$\overrightarrow{BD}=(2,-1,0)$.设平面$BDP$法向量$\boldsymbol {{n}_{1}}=(x,y,z)$,
则$\begin{cases}{\boldsymbol {{n}_{1}}\perp \overrightarrow{BD}}\\ {\boldsymbol {{n}_{1}}\perp \overrightarrow{BP}}\end{cases}$,则$\begin{cases}\boldsymbol {{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{BD}=0\\ \boldsymbol {{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{BP}=0\end{cases}$,即$\left\{ \begin{align} & 2x-y=0 \\ & (\frac{\lambda }{2}-1)y+\frac{\sqrt{3}}{2}\lambda z=0 \\ \end{align} \right.$,
$\therefore $ 平面$BDP$的一个法向量为$\boldsymbol {n}_{1}=\left(1,2,\dfrac{2(2-\lambda )}{\sqrt{3}\lambda }\right)$,
平面$BCF$的一个法向量为$\boldsymbol {{n}_{2}}=(1,0,0)$,
则$\vert \cos \lt \boldsymbol {{n}_{1}},\boldsymbol {{n}_{2}}\gt \vert =\dfrac{\vert \boldsymbol {{n}_{1}}\cdot \boldsymbol {{n}_{2}}\vert }{\vert \boldsymbol {{n}_{1}}\vert \cdot \vert \boldsymbol {{n}_{2}}\vert }=\dfrac{1}{\sqrt{5+\dfrac{4(2-\lambda )^{2}}{3{\lambda }^{2}}}}=\cos 6{0}^\circ =\dfrac{1}{2}$,
化简得$\dfrac{4(2-\lambda )^{2}}{3{\lambda }^{2}}=-1$,
$\therefore \lambda$无实数解,不存在这样的点$P$.
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