| 8.6.3 平面与平面垂直 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

8.6.3 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,$$\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.

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$(1)$ 证明见解析
$(2)$ $\\dfrac{PM}{PC}=\\dfrac{1}{2}$$\\dfrac{PM}{PC}=1$

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$(1)$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$$\angle ABC=60^{\circ}$,底面$ABCD$是平行四边形,
所以$BC=AD=2$
由余弦定理可得$AC=\sqrt{B{C}^{2}+A{B}^{2}-2AB{\cdot }B\cos\angle ABC}=\sqrt{4+1-2{×}2{×}1{×}\dfrac{1}{2}}=\sqrt{3}$
可得$AB^{2}+AC^{2}=BC^{2}$
所以$\angle BAC=\dfrac{\pi }{2}$,即$AC\bot AB$
可得$AC\bot CD$
$AC\cap PA=A$
所以$CD\bot $平面$PAC$
因为$CD\subset $平面$QCD$
所以平面$PAC\bot $平面$CDQ$
$(2)$$(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$
$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)$
$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{n}{\cdot }\overrightarrow{CP}=0}\\{\boldsymbol{n}{\cdot }\overrightarrow{CQ}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{-\sqrt{3}y+3z=0}\\{-x+z=0}\end{array}\right.$
$x=1$
可得$\boldsymbol{n}=(1,\sqrt{3}$$1)$
设线段$PC$上存在点$M$,满足条件,
$\overrightarrow{PM}=\lambda \overrightarrow{PC}=\lambda (0,\sqrt{3}$$-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]$
$\sin \theta =|\cos\lt \boldsymbol{n},\overrightarrow{AM} \gt |$
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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