| 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

在四棱锥$P-ABCD$中,底面$ABCD$是边长为$2$的菱形,且$AB\bot $平面$PAD$$BC\bot PC$.
$(1)$证明:$BC\bot PD$
$(2)$$E$$PC$的中点,异面直线$BE$$PA$所成角的余弦值为$\dfrac{5\sqrt{2}}{8}$$PA\geqslant 4$,求直线$PB$与平面$ABE$所成角的正弦值.

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$(1)$ 证明见解析;
$(2)$ $\\dfrac{\\sqrt{105}}{35}$

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$(1)$证明:因为$AB\bot $平面$PAD$$AD$$PD\subset $平面$PAD$
所以$AB\bot AD$$AB\bot PD$
又因为底面$ABCD$是边长为$2$的菱形,所以可得四边形$ABCD$为正方形,
又因为$BC\bot PC$$BC\bot CD$$PC\cap CD=C$
所以$BC\bot $平面$PCD$$PD\subset $平面$PCD$
所以$BC\bot PD$
$(2)$$(1)$可得$BC\bot PD$,又因为$BC\cap AB=B$
所以$PD\bot $底面$ABCD$
$D$为坐标原点,以$DA$$DC$$DP$所在的直线分别为$x$$y$$z$轴建立空间直角坐标系,
由题意可得$D\left(0,0,0\right),A\left(2,0,0\right)$$C\left(0,2,0\right),B\left(2,2,0\right)$
$P\left(0,0,2c\right)$$c \gt 0$
$PC$的中点$E\left(0,1,c\right),\overrightarrow{PA}=\left(-2,0,2c\right),\overrightarrow{BE}=\left(-2,-1,c\right)$
因为$\overrightarrow{PA}\cdot \overrightarrow{BE}=4+2c^{2},|\overrightarrow{PA}|=\sqrt{4+4{c}^{2}},|\overrightarrow{BE}|=\sqrt{4+1+{c}^{2}}=\sqrt{5+{c}^{2}}$
所以$\cos\lt \overrightarrow{PA},\overrightarrow{BE} \gt =\dfrac{\overrightarrow{PA}\cdot \overrightarrow{BE}}{|\overrightarrow{PA}|\cdot |\overrightarrow{BE}|}=\dfrac{4+2{c}^{2}}{\sqrt{4+4{c}^{2}}\cdot \sqrt{5+{c}^{2}}}$
设异面直线$BE$$PA$所成的角为$\theta $$\theta \in \left[0,\dfrac{\pi }{2}\right]$
所以$\cos \theta =|\cos\lt \overrightarrow{PA},\overrightarrow{BE} \gt |=\dfrac{4+2{c}^{2}}{\sqrt{4+4{c}^{2}}\cdot \sqrt{5+{c}^{2}}}=\dfrac{5\sqrt{2}}{8}$
两边平方整理可得:$7c^{4}-22c^{2}+3=0$
解得$c^{2}=\dfrac{1}{7}$$c^{2}=3$
因为$|PA|\geqslant 4$,所以$4+4c^{2}\geqslant 16$,可得$c^{2}\geqslant 3$
所以$c^{2}=3$,即$c=\sqrt{3}$
$P(0,0,2\sqrt{3}$),$E(0,1,\sqrt{3})$
此时$\overrightarrow{BP}=(-2,-2,2\sqrt{3}$),$\overrightarrow{AB}=\left(0,2,0\right),\overrightarrow{AE}=(-2,1,\sqrt{3})$
设平面$ABE$的法向量为$\boldsymbol{n}=\left(x,y,z\right)$
$\left\{\begin{array}{l}{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{AB}=0}\\{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{AE}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{2y=0}\\{-2x+y+\sqrt{3}z=0}\end{array}\right.$
$z=2$
可得$\boldsymbol{n}=\left(\sqrt{3},0,2\right)$
所以$\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{BP}=-2\sqrt{3}+0+4\sqrt{3}=2\sqrt{3},|\boldsymbol{n}|=\sqrt{3+0+4}=\sqrt{7},|\overrightarrow{BP}|=\sqrt{4+4+12}=2\sqrt{5}$
所以$\cos\lt \boldsymbol{n},\overrightarrow{BP} \gt =\dfrac{\boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{BP}}{|\boldsymbol{n}|\cdot |\overrightarrow{BP}|}=\dfrac{2\sqrt{3}}{\sqrt{7}×2\sqrt{5}}=\dfrac{\sqrt{105}}{35}$.
设直线$PB$与平面$ABE$所成的角为$\varphi $$\varphi \in \left[0,\dfrac{\pi }{2}\right]$
所以$\sin \varphi =|\cos\lt \boldsymbol{n},\overrightarrow{BP} \gt |=\dfrac{\sqrt{105}}{35}$.
即直线$PB$与平面$ABE$所成角的正弦值为$\dfrac{\sqrt{105}}{35}$.

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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

解答题

1、在四棱锥$P-ABCD$中,底面$ABCD$是边长为$2$的菱形,且$AB\bot $平面$PAD$$BC\bot PC$.
图片加载错误$(1)$证明:$BC\bot PD$
$(2)$$E$$PC$的中点,异面直线$BE$$PA$所成角的余弦值为$\dfrac{5\sqrt{2}}{8}$$PA\geqslant 4$,求直线$PB$与平面$ABE$所成角的正弦值.

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