| 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,四棱台$ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$的底面为菱形,$AB=4$$DD_{1}=3,\angle BAD=60^{\circ}$,点$E$$BC$中点,$D_{1}E\bot BC,D_1E=\sqrt{21}$.
$(1)$证明:$DD_{1}\bot $平面$ABCD$
$(2)$$A_{1}D_{1}=2$,求平面$A_{1}C_{1}E$与平面$ABCD$夹角的余弦值.

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$(1)$ 证明见解析
$(2)$ $\\dfrac{2\\sqrt{13}}{13}$

"]]

$(1)$证明:连接$DE$,在菱形$ABCD$中,$\angle BCD=60^{\circ}$,所以$\triangle BCD$为等边三角形.
又因为$E$$BC$中点,所以$DE\bot BC$
又因为$D_{1}E\bot BC,DE\cap D_{1}E=E$,所以$BC\bot $平面$D_{1}DE$
所以$BC\bot D_{1}D$
又因为$D_1E=\sqrt{21}$,而$D_{1}D=3,DE=2\sqrt{3}$,所以$D_1D^2+DE^2=21=D_1E^2$,所以$D_{1}D\bot DE$
又因为$BC\cap DE=E$,所以$D_{1}D\bot $平面$ABCD$.
$(2)$如图,以$D$为坐标原点,$DA$$DE$$DD_{1}$所在直线分别为$x$$y$$z$轴建立空间直角坐标系,
$E\left(0,2\sqrt{3},0\right),A_{1}\left(2,0,3\right),C_1\left(-1,\sqrt{3},3\right)$
所以$\overrightarrow{A_1C_1}=\left(-3,\sqrt{3},0\right),\overrightarrow{A_1E}=\left(-2,2\sqrt{3},-3\right)$
设平面$A_{1}C_{1}E$的法向量$\boldsymbol{n_1}=\left(x,y,z\right)$
$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{{A}_{1}{C}_{1}}=-3x+\sqrt{3}y=0}\\{\boldsymbol{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{{A}_{1}E}=-2x+2\sqrt{3}y-3z=0}\end{array}\right.$
$x=3$,则$y=3\sqrt{3},z=-3$,所以$\boldsymbol{{n}_{1}}=\left(3,3\sqrt{3},4\right)$
由题得,平面$ABCD$的一个法向量$\boldsymbol{n_2}=\left(0,0,1\right)$
设平面$A_{1}C_{1}E$与平面$ABCD$所成角为$\theta $
所以$\cos\theta =\dfrac{|\boldsymbol{n_1}\cdot \boldsymbol{n_2}|}{|\boldsymbol{n_1}||\boldsymbol{n_2}|}=\dfrac{4}{\sqrt{52}}=\dfrac{2\sqrt{13}}{13}$.

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