| 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,四棱锥$P-ABCD$的底面是边长为$2$的正方形,平面$PAB\bot $平面$PCD$$E$$CD$的中点,$PE\bot CD$$PE=1$.
$(1)$证明:$PE\bot $平面$PAB$
$(2)$求平面$PBC$与平面$PAE$的夹角的正弦值.

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$(1)$ 证明见解析;
$(2)$ $\\dfrac{\\sqrt{42}}{7}$

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$(1)$证明:因为四棱锥$P-ABCD$底面是边长为$2$的正方形,所以$AB//CD$
因为$CD$⊄平面$PAB$$AB\subset $平面$PAB$,所以$CD//$平面$PAB$
设平面$PAB\cap $平面$PCD=PM$,则$PM//CD$
因为$PE\bot CD$,所以$PE\bot PM$
因为$PE\subset $平面$PCD$,平面$PAB\bot $平面$PCD$
所以$PE\bot $平面$PAB$
$(2)$连接$BE$,因为$E$$CD$中点,所以$|AE|=|BE|=\sqrt{{2}^{2}+{1}^{2}}=\sqrt{5}$
$PE\bot $平面$PAB$$PA$$PB\subset $平面$PAB$,所以$PE\bot PA$$PE\bot PB$
因为$|PE|=1$$|PA|=|PB|=\sqrt{(\sqrt{5})^{2}-{1}^{2}}=2$,所以$\triangle PAB$为正三角形,
$AB$中点$F$,连接$PF$,则$PF\bot AB$,所以$PF\bot PM$
$P$为坐标原点,$PF$$PM$$PE$所在直线分别为$x$$y$$z$轴建立空间直角坐标系,如图.
$P\left(0,0,0\right),E\left(0,0,1\right),F\left(\sqrt{3},0,0\right)$
$A\left(\sqrt{3},-1,0\right),B\left(\sqrt{3},1,0\right),C\left(0,1,1\right),D\left(0,-1,1\right)$
所以$\overrightarrow{PB}=\left(\sqrt{3},1,0\right),\overrightarrow{PC}=\left(0,1,1\right),\overrightarrow{PA}=\left(\sqrt{3},-1,0\right),\overrightarrow{PE}=\left(0,0,1\right)$
设平面$PBC$法向量为$\boldsymbol{m}=\left(x_{1},y_{1},z_{1}\right)$
$\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow{PB}\cdot \boldsymbol{m}=0\\ \overrightarrow{PC}\cdot \boldsymbol{m}=0\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}\sqrt{3}x_{1}+y_{1}=0\\ y_{1}+z_{1}=0\end{array}\right.$,令$x_{1}=1$,则$y_{1}=-\sqrt{3},z=\sqrt{3}$,所以$\boldsymbol{m}=\left(1,-\sqrt{3},\sqrt{3}\right)$
设平面$PAE$法向量为$\boldsymbol{n}=\left(x_{2},y_{2},z_{2}\right)$
$\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow{PA}\cdot \boldsymbol{n}=0\\ \overrightarrow{PE}\cdot \boldsymbol{n}=0\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}\sqrt{3}x_{2}-y_{2}=0\\ z_{2}=0\end{array}\right.$,令$x_{2}=1,y_{2}=\sqrt{3},z_{2}=0$,所以$\boldsymbol{n}=\left(1,\sqrt{3},0\right)$
设平面$PBC$与平面$PAE$夹角为$\theta $,由图可知$\theta $为锐角,
所以$\cos\theta =|\cos\lt \boldsymbol{m},\boldsymbol{n}\gt |=\dfrac{|\boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}|}{|\boldsymbol{m}||\boldsymbol{n}|}=\dfrac{|1-3|}{2×\sqrt{7}}=\dfrac{\sqrt{7}}{7}$
所以$\sin\theta =\sqrt{1-{\cos}^{2}\theta }=\sqrt{1-\dfrac{1}{7}}=\dfrac{\sqrt{42}}{7}$
所以平面$PBC$与平面$PAE$的夹角的正弦值为$\dfrac{\sqrt{42}}{7}$.

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