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
在几何体中,底面$ABC$是边长为$2$的正三角形.$AE\bot $平面$ABC$,若$AE//CD//BF$,$AE=5$,$CD=4$,$BF=3$.$(1)$求证:平面$DEF\bot $平面$AEFB$;
$(2)$是否在线段$AE$上存在一点$P$,使得二面角$P-DF-E$的大小为$\dfrac{\pi }{3}$.若存在,求出$AP$的长度,若不存在,请说明理由.
$(1)$ 证明见解析;
$(2)$ 存在,$AP=3\\sqrt{5}-4$
$(1)$证明:如图,设$M$,$N$分别为$EF$,$AB$边的中点,连接$MN$,$DM$,$CN$,因为$AE\bot $平面$ABC,AE//CD//BF$,$AE=5$,$CD=4$,$BF=3$,
所以$MN=4=CD$,且$MN//CD$,
即四边形$CNMD$为平行四边形,可得$MD//CN$,
在底面正三角形$ABC$中,$N$为$AB$边的中点,则$CN\bot AB$,
又$AE\bot $平面$ABC$,且$CN\subset $平面$ABC$,所以$AE\bot CN$.
由于$AE\cap AB=A$,且$AE$、$AB\subset $平面$ABFE$,所以$CN\bot $平面$ABFE$.
因为$MD//CN$,$CN\bot $平面$ABFE$,则$MD\bot $平面$ABFE$,
又$MD\subset $平面$DEF$,则平面$DEF\bot $平面$AEFB$.
$(2)$如图,以点$A$为坐标原点,建立空间直角坐标系,则$E\left(0,0,5\right),D\left(0,2,4\right),F\left(\sqrt{3},1,3\right)$.
设点$P\left(0,0,t\right)$,则$\overrightarrow{DF}=\left(\sqrt{3},-1,-1\right),\overrightarrow{DE}=\left(0,-2,1\right),\overrightarrow{DP}=\left(0,-2,t-4\right)$.
设平面$PDF$的法向量为$\boldsymbol{{n}_{1}}=(x_{1},y_{1}$,$z_{1})$,平面$EDF$的法向量为$\boldsymbol{{n}_{2}}=(x_{2},y_{2}$,$z_{2})$.
所以$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{DF}=\sqrt{3}{x}_{1}-{y}_{1}-{z}_{1}=0}\\{\boldsymbol{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{DP}=-2{y}_{1}+\left(t-4\right){z}_{1}=0}\end{array}\right.$,令$z_{1}=2$,则${y}_{1}=t-4,{x}_{1}=\dfrac{t-2}{\sqrt{3}}$,所以$\boldsymbol{{n}_{1}}=\left(\dfrac{t-2}{\sqrt{3}},t-4,2\right)$,
所以$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{DE}=-2{y}_{2}+{z}_{2}=0}\\{\boldsymbol{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{DF}=\sqrt{3}{x}_{2}-{y}_{2}-{z}_{2}=0}\end{array}\right.$,令$y_{2}=1$,则${x}_{2}=\sqrt{3}$.$z_{2}=2$,所以$\boldsymbol{{n}_{2}}=\left(\sqrt{3},1,2\right)$,
由$|\cos \lt \boldsymbol{{n}_{1}},\boldsymbol{{n}_{2}}\gt |=\dfrac{|\boldsymbol{{n}_{1}}\cdot \boldsymbol{{n}_{2}}|}{|\boldsymbol{{n}_{1}}||\boldsymbol{{n}_{2}}|}=\cos\dfrac{\pi }{3}=\dfrac{1}{2}$,
将$\boldsymbol{{n}_{1}},\boldsymbol{{n}_{2}}$的坐标代入计算,可得:$t=±3\sqrt{5}-4$,
由于点$P$为线段$AE$上一点,故$0\leqslant t\leqslant 5$,所以$t=3\sqrt{5}-4$,
即存在点$P$满足,此时$AP=3\sqrt{5}-4$.
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