| 8.6.3 平面与平面垂直 题目答案及解析

稿件来源:高途

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必修二

第八章 立体几何初步

8.6 空间直线、平面的垂直

8.6.3 平面与平面垂直

如图,在三棱锥$P-ABC$中,$H$$\triangle ABC$的内心,直线$AH$$BC$交于$M$$\angle PAB=\angle PAC$$\angle PCA=\angle PCB$.
$(1)$证明:平面$PAM\bot $平面$ABC$
$(2)$$AB\bot BC$$PA=AB=3$$BC=4$,求二面角$M-PA-C$的余弦值.

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(1) 证明见解析;

(2) $\\dfrac{4}{5}$

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$(1)$证明:设$PN\bot $平面$ABC$,垂足为$N$,作$NE\bot AB$$E$$NF\bot AC$$F$,连接$PE$$PF$
因为$PN\bot $平面$ABC$$AB$$AC\subset $平面$ABC$,所以$PN\bot AB$$PN\bot AC$
$NE\bot AB$$NE\cap PN=N$$NE$$PN\subset $平面$PNE$,所以$AB\bot $平面$PNE$
$PE\subset $平面$PNE$,所以$AB\bot PE$
因为$NF\bot AC$$NF\cap PN=N$$NF$$PN\subset $平面$PNF$,所以$AC\bot $平面$PNF$
$PF\subset $平面$PNF$,所以$AC\bot PF$
$Rt\triangle PAE$$Rt\triangle PAF$中,因为$\angle PAB=\angle PAC$$PA=PA$
所以$\triangle PAE\cong \triangle PAF$,所以$AE=AF$
$Rt\triangle NAE$$Rt\triangle NAF$中,$AF=AE$$AN=AN$
所以$\triangle NAE\cong \triangle NAF$,所以$NE=NF$
即点$N$$AB$$AC$的距离相等,
同理点$N$$BC$$AC$的距离相等,
所以点$N$$\triangle ABC$的内心,所以$N$$H$两点重合,
所以$PH\bot $平面$ABC$
又因$PH\subset $平面$PAM$
所以平面$PAM\bot $平面$ABC$

$(2)$如图,以点$B$为原点建立空间直角坐标系,

$B\left(0,0,0\right)$$C\left(4,0,0\right)$$A\left(0,3,0\right)$
$\triangle ABC$内切圆的半径为$r$,则$S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ABH}+S_{\triangle AHC}+S_{\triangle HBC}$
${S_{△ABC}}=\dfrac{1}{2}×3×4=\dfrac{1}{2}r({3+4+5})$,解得$r=1$
$AH=\sqrt{{r^2}+A{E^2}}=\sqrt{{r^2}+{{({AB-1})}^2}}=\sqrt{5},P{H^2}=\sqrt{P{A^2}-A{H^2}}=2$
$H\left(1,1,0\right)$$P\left(1,1,2\right)$
$\overrightarrow{HP}=({0,0,2}),\overrightarrow{HA}=({-1,2,0}),\overrightarrow{AP}=({1,-2,2}),\overrightarrow{AC}=({4,-3,0})$
设平面$AHP$的法向量$\boldsymbol{n}=({{x_1},{y_1},{z_1}})$
$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{HP}=0}\\{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{HA}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{2{z}_{1}=0}\\{-{x}_{1}+2{y}_{1}=0}\end{array}\right.$,可取$\boldsymbol{n}=({2,1,0})$
设平面$ACP$的法向量$\boldsymbol{m}=({{x_2},{y_2},{z_2}})$
$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{AP}=0}\\{\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{AC}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{{x}_{2}-2{y}_{2}+2{z}_{2}=0}\\{4{x}_{2}-3{y}_{2}=0}\end{array}\right.$,可取$\boldsymbol{m}=({6,8,5})$
$\cos⟨{\boldsymbol{m},\boldsymbol{n}}⟩=\dfrac{{\boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}}}{{|{\boldsymbol{m}}||{\boldsymbol{n}}|}}=\dfrac{4}{5}$
由图可得二面角$M-PA-C$为锐角,
所以二面角$M-PA-C$的余弦值为$\dfrac{4}{5}$.

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