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
已知在六面体$PABCDE$中,$PA\bot $平面$ABCD$,$ED\bot $平面$ABCD$,且$PA=2ED$,底面$ABCD$为菱形,且$\angle ABC=60^{\circ}$.$(1)$求证:平面$PAC\bot $平面$PBD$;
$(2)$若直线$PC$与平面$ABCD$所成角为$45^{\circ}$,试问:在线段$PE$上是否存在点$M$,使二面角$P-AC-M$为$60^{\circ}$?若存在,确定点$M$的位置;若不存在,请说明理由.
(1) 证明见解析;
(2) 存在点$M$即为点$E$时,二面角$P - AC - M$为$60^{\\circ}$
"]]$(1)$证明:连接$BD$,$\because $四边形$ABCD$为菱形,$\therefore BD\bot AC$,
又$PA\bot $平面$ABCD$,$BD\subset $平面$ABCD$,$\therefore BD\bot PA$,
又$PA\cap AC=A$,$\therefore BD\bot $平面$PAC$,
又$BD\subset $平面$PBD$,$\therefore $平面$PBD\bot $平面$PAC$;
$(2)$$\because PA\bot $平面$ABCD$,$\therefore AC$为$PC$在平面$ABCD$上的射影,
$\therefore \angle PCA$为直线$PC$与平面$ABCD$所成角,则$\angle PCA=45^{\circ}$,得$PA=AC$,
令$DE=1$,则$PA=AC=2$,
又四边形$ABCD$为菱形,$\angle ABC=60^{\circ}$,$\therefore \triangle ABC$为等边三角形,得$AB=2$,
取$BC$的中点$H$,连接$AH$,可得$AH=\sqrt{3}$,且$AH\bot BC$,$\therefore AH\bot AD$,
以$A$为原点,分别以$AH$,$AD$,$AP$所在直线为$x$,$y$,$z$,建立空间直角坐标系,
如图所示,,
则$E\left(0,2,1\right)$,$P\left(0,0,2\right)$,$C(\sqrt{3},1,0)$,$B(\sqrt{3},-1,0)$,$D\left(0,2,0\right)$,
$\therefore \overrightarrow{EP}=(0,-2,1)$,设$M\left(x,y,z\right)$,
$\because M$,$P$,$E$三点共线,$\therefore \overrightarrow{EM}=\lambda \overrightarrow{EP}(0≤\lambda ≤1)$,则$\left(x,y-2,z-1\right)=\lambda \left(0,-2,1\right)$,
解得$x=0$,$y=2-2\lambda $,$z=1+\lambda $,$\therefore M\left(0,2-2\lambda ,1+\lambda \right)$,
$\therefore \overrightarrow{AC}=(\sqrt{3},1,0)$,$\overrightarrow{AM}=(0,2-2\lambda ,1+\lambda )$,$\overrightarrow{BD}=(-\sqrt{3},3,0)$,
由$(1)$知$BD\bot $平面$PAC$,$\therefore $平面$PAC$的法向量${\boldsymbol{n}_1}∥\overrightarrow{BD}$,取${\boldsymbol{n}_1}=(-1,\sqrt{3},0)$,
令平面$ACM$的法向量为${\boldsymbol{n}_2}=(x,y,z)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{AC}=\sqrt{3}x+y=0}\\{\boldsymbol{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{AM}=(2-2\lambda )y+(1+\lambda )z=0}\end{array}\right.$,令$y=\sqrt{3}$,则${\boldsymbol{n}_2}=({-1,\sqrt{3},\dfrac{{2\sqrt{3}(\lambda -1)}}{{\lambda +1}}})$,
$\because $二面角$P-AC-M$为$60^{\circ}$,$\therefore |{\cos⟨{{{\boldsymbol{n}}_1},{{\boldsymbol{n}}_2}}⟩}|=|{\cos60°}|=\dfrac{{|{{{\boldsymbol{n}}_1}\cdot {{\boldsymbol{n}}_2}}|}}{{|{{{\boldsymbol{n}}_1}}∥{{{\boldsymbol{n}}_2}}|}}$,
$\therefore \dfrac{4}{{2\cdot \sqrt{4+\dfrac{{12{{(\lambda -1)}^2}}}{{{{(\lambda +1)}^2}}}}}}=\dfrac{1}{2}$,解得$\lambda =0$,
$\because 0\leqslant \lambda \leqslant 1$,$\therefore $当$\lambda =0$时,点$M$与点$E$重合,
$\therefore $存在点$M$即为点$E$时,二面角$P-AC-M$为$60^{\circ}$.
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