| 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,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$$G$$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.

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$(1)$证明见解析;

$(2)$不存在,理由见解析.

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$(1)$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$ABCD$

$FN\subset$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$NM\perp NB$

$N$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$$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,

$\overrightarrow{AE}=\overrightarrow{AF}+\overrightarrow{BD}=\left(0,-\dfrac{3}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$

设平面$AEF$的法向量$\boldsymbol {n}=(x,y,z)$

$\begin{cases}{\boldsymbol {n}\cdot \overrightarrow{AF}=0}\\ {\boldsymbol {n}\cdot \overrightarrow{AE}=0}\end{cases}$,则$\begin{cases}-2x-\dfrac{1}{2}y+\dfrac{\sqrt{3}}{2}z=0\\ -\dfrac{3}{2}y+\dfrac{\sqrt{3}}{2}z=0\end{cases}$

$z=\sqrt{3}$,得$y=1$$x=\dfrac{1}{2}$

则平面$AEF$的一个法向量$\boldsymbol {n}=\left(\dfrac{1}{2},1,\sqrt{3}\right)$

$\overrightarrow{BG}\cdot \boldsymbol {n}=0\times \dfrac{1}{2}-\dfrac{3}{4}\times 1+\dfrac{\sqrt{3}}{4}\times \sqrt{3}=0$

$\overrightarrow{BG}\perp \boldsymbol {n}$.且$BG\not\subset$平面$AEF$

$BG//$平面$AEF$

$(2)$$\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$P\left(0,\dfrac{1}{2}\lambda -\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt{3}}{2}\lambda \right)$

$\therefore \overrightarrow{BP}=\left(0,\dfrac{1}{2}\lambda -1,\dfrac{\sqrt{3}}{2}\lambda \right)$

$\overrightarrow{BD}=(2,-1,0)$.设平面$BDP$法向量$\boldsymbol {{n}_{1}}=(x,y,z)$

$\begin{cases}{\boldsymbol {{n}_{1}}\perp \overrightarrow{BD}}\\ {\boldsymbol {{n}_{1}}\perp \overrightarrow{BP}}\end{cases}$,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$\boldsymbol {{n}_{2}}=(1,0,0)$

$\vert \cos \lt \boldsymbol {{n}_{1}},\boldsymbol {{n}_{2}}\gt \vert =\dfrac{\vert \boldsymbol {{n}_{1}}\cdot \boldsymbol {{n}_{2}}\vert }{\vert \boldsymbol {{n}_{1}}\vert \cdot \vert \boldsymbol {{n}_{2}}\vert }=\dfrac{1}{\sqrt{5+\dfrac{4(2-\lambda )^{2}}{3{\lambda }^{2}}}}=\cos 6{0}^\circ =\dfrac{1}{2}$

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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