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
已知底面$ABCD$是平行四边形,$PA\bot $平面$ABCD,PA//DQ,PA=3DQ=3,AD=2AB=2,$且$\angle ABC=60^{\circ}$.$(1)$求证:平面$PAC\bot $平面$CDQ$;
$(2)$线段$PC$上是否存在点$M$,使得直线$AM$与平面$PCQ$所成角的正弦值是$\dfrac{\sqrt{15}}{5}$,若存在,求出$\dfrac{PM}{PC}$的值;若不存在,说明理由.
$(1)$ 证明见解析
$(2)$ $\\dfrac{PM}{PC}=\\dfrac{1}{2}$或$\\dfrac{PM}{PC}=1$
$(1)$证明:因为$PA\bot $平面$ABCD$,$CD\subset $平面$ABCD$,
所以$PA\bot CD$,,
$AD=2AB=2$,可得$AD=2$,$AB=1$,$\angle ABC=60^{\circ}$,底面$ABCD$是平行四边形,
所以$BC=AD=2$,
由余弦定理可得$AC=\sqrt{B{C}^{2}+A{B}^{2}-2AB{\cdot }B\cos\angle ABC}=\sqrt{4+1-2{×}2{×}1{×}\dfrac{1}{2}}=\sqrt{3}$,
可得$AB^{2}+AC^{2}=BC^{2}$,
所以$\angle BAC=\dfrac{\pi }{2}$,即$AC\bot AB$,
可得$AC\bot CD$,
而$AC\cap PA=A$,
所以$CD\bot $平面$PAC$,
因为$CD\subset $平面$QCD$,
所以平面$PAC\bot $平面$CDQ$;
$(2)$由$(1)$可得,以$A$为坐标原点,以$AB$,$AC$,$AP$所在的直线分别为$x$,$y$,$z$轴建立空间直角坐标系,$PA=3DQ=3$,可得$DQ=1$,
则$A\left(0,0,0\right),P\left(0,0,3\right)$,$C(0,\sqrt{3}$,$0)$,$D(-1,\sqrt{3}$,$0)$,$Q(-1,\sqrt{3}$,$1)$,
设平面$PCQ$的法向量为$\boldsymbol{n}=\left(x,y,z\right)$,
$\overrightarrow{CP}=(0,-\sqrt{3}$,$3)$,$\overrightarrow{CQ}=\left(-1,0,1\right)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{n}{\cdot }\overrightarrow{CP}=0}\\{\boldsymbol{n}{\cdot }\overrightarrow{CQ}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{-\sqrt{3}y+3z=0}\\{-x+z=0}\end{array}\right.$,
令$x=1$,
可得$\boldsymbol{n}=(1,\sqrt{3}$,$1)$,
设线段$PC$上存在点$M$,满足条件,
设$\overrightarrow{PM}=\lambda \overrightarrow{PC}=\lambda (0,\sqrt{3}$,$-3)=\left(0,\sqrt{3}\lambda ,-3\lambda \right),\lambda \in \left[0,1\right]$,
所以$M\left(0,\sqrt{3}\lambda ,-3\lambda +3\right)$,则$\overrightarrow{AM}=\left(0,\sqrt{3}\lambda ,-3\lambda +3\right)$,
所以$\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{AM}=0+3\lambda -3\lambda +3=3,|\boldsymbol{n}|=\sqrt{1+3+1}=\sqrt{5},|\overrightarrow{AM}|=\sqrt{0+3{\lambda }^{2}+\left(3-3\lambda \right)^{2}}=\sqrt{12{\lambda }^{2}-18\lambda +9}$,
所以$\cos\lt \boldsymbol{n},\overrightarrow{AM} \gt =\dfrac{\boldsymbol{n}{\cdot }\overrightarrow{AM}}{|\boldsymbol{n}|{\cdot }|\overrightarrow{AM}|}=\dfrac{3}{\sqrt{5}{×}\sqrt{12{\lambda }^{2}-18\lambda +9}}$,
直线$AM$与平面$PCQ$所成的角为$\theta $,$\theta \in \left[0,\dfrac{\pi }{2}\right]$,
则$\sin \theta =|\cos\lt \boldsymbol{n},\overrightarrow{AM} \gt |$,
又因为直线$AM$与平面$PCQ$所成角的正弦值是$\dfrac{\sqrt{15}}{5}$,即$\sin \theta =\dfrac{\sqrt{15}}{5}$,
所以$\dfrac{\sqrt{15}}{5}=\dfrac{3}{\sqrt{5}{×}\sqrt{12{\lambda }^{2}-18\lambda +9}}$,
整理可得:$2{\lambda }^{2}-3\lambda +1=0$,解得:$\lambda =\dfrac{1}{2}或\lambda =1.$,
所以存在这样的$M$点满足条件,且$\dfrac{PM}{PC}=\dfrac{1}{2}或\dfrac{{\displaystyle PM}}{{\displaystyle PC}}=1$.
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