| 8.6.2 直线与平面垂直 题目答案及解析

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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

8.6.2 直线与平面垂直

如图,在三棱台$ABC-A_{1}B_{1}C_{1}$中,$AB\bot $平面$B_{1}BCC_{1}$$AB=3$$BB_{1}=B_{1}C_{1}=CC_{1}=2$$BC=4$.
$(1)$求证:$AA_{1}\bot B_{1}C$
$(2)$求平面$B_{1}BCC_{1}$与平面$A_{1}ACC_{1}$夹角的余弦值.

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$(1)$ 证明见解析
$(2)$ $\\dfrac{2\\sqrt{7}}{7}$

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$(1)$证明:因为$AB\bot $平面$B_{1}BCC_{1},B_{1}C\subset $平面$B_{1}BCC_{1}$
所以$AB\bot B_{1}C$,作$B_{1}D\bot BC$$BC$于点$D$
在等腰梯形$B_{1}BCC_{1}$中,$BB_{1}=B_{1}C_{1}=CC_{1}=2$$BC=4$
所以$BD=1$
$Rt\triangle BDB_{1}$中,$\cos∠B_{1}BD=\dfrac{1}{2}$,所以$\angle B_{1}BD=60^{\circ}$
$\triangle BCB_{1}$中,由余弦定理得$B_{1}C^{2}=B_{1}B^{2}+BC^{2}-2B_{1}B\cdot BC\cos 60^{\circ}=12$
所以${{B}_{1}}C^{2}+{B}_{1}{B}^{2}=B{C}^{2}$,从而有$B_{1}B\bot B_{1}C$
$AB\cap B_{1}B=B$,所以$B_{1}C\bot $平面$BAA_{1}B_{1}$
因为$AA_{1}\subset $平面$BAA_{1}B_{1}$
所以$AA_{1}\bot B_{1}C$.
$(2)$$B$为原点,$\overrightarrow{BA},\overrightarrow{BC}$分别为$x$轴,$y$轴正向,建立空间直角坐标系,如图所示:
$B\left(0,0,0\right),A\left(3,0,0\right)$$C\left(0,4,0\right),B_1\left(0,1,\sqrt{3}\right)$$C_1\left(0,3,\sqrt{3}\right)$
$\overrightarrow{C_1C}=\left(0,1,-\sqrt{3}\right),\overrightarrow{AC}=\left(-3,4,0\right)$
因为$AB\bot $平面$B_{1}BCC_{1}$
所以$\overrightarrow{BA}=\left(3,0,0\right)$为面$B_{1}BCC_{1}$的一个法向量,
$\boldsymbol{n}=\left(x,y,z\right)$为面$A_{1}ACC_{1}$的法向量,
$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{{C}_{1}C}=y-\sqrt{3}z=0}\\{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{AC}=-3x+4y=0}\end{array}\right.$,取$y=3$$x=4$$z=\sqrt{3}$
$\boldsymbol{n}=\left(4,3,\sqrt{3}\right)$
所以$\cos\lt \overrightarrow{BA},\boldsymbol{n}\gt =\dfrac{|\overrightarrow{BA}\cdot \boldsymbol{n}|}{|\overrightarrow{BA}||\boldsymbol{n}|}=\dfrac{12}{3×2\sqrt{7}}=\dfrac{2\sqrt{7}}{7}$
即平面$B_{1}BCC_{1}$与平面$A_{1}ACC_{1}$夹角的余弦值为$\dfrac{2\sqrt{7}}{7}$.

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