稿件来源:高途
| 8.6.3 平面与平面垂直题目答案及解析如下,仅供参考!
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,$H$为$\triangle ABC$的内心,直线$AH$与$BC$交于$M$,$\angle PAB=\angle PAC$,$\angle PCA=\angle PCB$.$(1)$证明:平面$PAM\bot $平面$ABC$;
$(2)$若$AB\bot BC$,$PA=AB=3$,$BC=4$,求二面角$M-PA-C$的余弦值.
(1) 证明见解析;
(2) $\\dfrac{4}{5}$
"]]$(1)$证明:设$PN\bot $平面$ABC$,垂足为$N$,作$NE\bot AB$于$E$,$NF\bot AC$于$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$,
又$NE\bot AB$,$NE\cap PN=N$,$NE$,$PN\subset $平面$PNE$,所以$AB\bot $平面$PNE$,
又$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$,
又$PF\subset $平面$PNF$,所以$AC\bot PF$,
在$Rt\triangle PAE$和$Rt\triangle PAF$中,因为$\angle PAB=\angle PAC$,$PA=PA$,
所以$\triangle PAE\cong \triangle PAF$,所以$AE=AF$,
在$Rt\triangle NAE$和$Rt\triangle NAF$中,$AF=AE$,$AN=AN$,
所以$\triangle NAE\cong \triangle NAF$,所以$NE=NF$,
即点$N$到$AB$,$AC$的距离相等,
同理点$N$到$BC$,$AC$的距离相等,
所以点$N$为$\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,,
则$B\left(0,0,0\right)$,$C\left(4,0,0\right)$,$A\left(0,3,0\right)$,
设$\triangle ABC$内切圆的半径为$r$,则$S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ABH}+S_{\triangle AHC}+S_{\triangle HBC}$,
即${S_{△ABC}}=\dfrac{1}{2}×3×4=\dfrac{1}{2}r({3+4+5})$,解得$r=1$,
故$AH=\sqrt{{r^2}+A{E^2}}=\sqrt{{r^2}+{{({AB-1})}^2}}=\sqrt{5},P{H^2}=\sqrt{P{A^2}-A{H^2}}=2$,
则$H\left(1,1,0\right)$,$P\left(1,1,2\right)$,
则$\overrightarrow{HP}=({0,0,2}),\overrightarrow{HA}=({-1,2,0}),\overrightarrow{AP}=({1,-2,2}),\overrightarrow{AC}=({4,-3,0})$,
设平面$AHP$的法向量$\boldsymbol{n}=({{x_1},{y_1},{z_1}})$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{HP}=0}\\{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{HA}=0}\end{array}\right.$,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$\boldsymbol{m}=({{x_2},{y_2},{z_2}})$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{AP}=0}\\{\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{AC}=0}\end{array}\right.$,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$\boldsymbol{m}=({6,8,5})$,
则$\cos⟨{\boldsymbol{m},\boldsymbol{n}}⟩=\dfrac{{\boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}}}{{|{\boldsymbol{m}}||{\boldsymbol{n}}|}}=\dfrac{4}{5}$,
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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