| 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}$$,BC//AD$$CC_{1}\bot $平面$ABCD$$AD=2AB=2BC$.
$(1)$证明:$CD\bot AC_{1}$
$(2)$$CC_{1}=2$$CD=3$$BC={A}_{1}{D}_{1}=\dfrac{5}{2}$,求二面角$A_{1}-AB-C$的余弦值.

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$(1)$ 证明见解析
$(2)$ $\\dfrac{3\\sqrt{34}}{34}$

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$(1)$证明:取$AD$的中点$E$,连接$CE$,则$BC//AE$$BC=AE$
所以四边形$BCEA$为平行四边形,
所以$CE=AB=BC=AE=DE=\dfrac{1}{2}AD$,所以$CD\bot CA$
因为$CC_{1}\bot $平面$ABCD$$CD\subset $平面$ABCD$,所以$CC_{1}\bot CD$
$CA$$CC_{1}\subset $平面$ACC_{1},CA\cap CC_{1}=C$,所以$CD\bot $平面$ACC_{1}$
因为$AC_{1}\subset $平面$ACC_{1}$,所以$CD\bot AC_{1}$.

$(2)$因为$CC_{1}\bot $平面$ABCD$$AC\subset $平面$ABCD$,所以$CC_{1}\bot AC$
$(1)$$CD\bot CA$$CC_{1}\bot CD$
以点$C$为坐标原点,建立如图所示空间直角坐标系,
由题意知,$CD=3$$AD=5$,所以$AC=4$
$C\left(0,0,0\right),A\left(0,4,0\right)$$D\left(3,0,0\right),B\left(-\dfrac{3}{2},2,0\right)$
由四棱台的性质知,$\dfrac{{C}_{1}{A}_{1}}{CA}=\dfrac{{A}_{1}{D}_{1}}{AD}=\dfrac{\dfrac{5}{2}}{5}=\dfrac{1}{2}$,即$C_{1}A_{1}=\dfrac{1}{2}CA=2$,所以$A_{1}\left(0,2,2\right)$
所以$\overrightarrow{A{A}_{1}}=\left(0,-2,2\right),\overrightarrow{B{A}_{1}}=\left(\dfrac{3}{2},0,2\right)$
设平面$A_{1}AB$的法向量为$\boldsymbol{m}=\left(x,y,z\right)$,则$\left\{\begin{array}{l}\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{A{A}_{1}}=0\\ \boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{B{A}_{1}}=0\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}-2y+2z=0\\ \dfrac{3}{2}x+2z=0\end{array}\right.$
$x=4$,则$\boldsymbol{m}=\left(4,-3,-3\right)$
易知平面$ABC$的一个法向量为$\boldsymbol{n}=\left(0,0,1\right)$
所以$\cos \lt \boldsymbol{m},\boldsymbol{n} \gt =\dfrac{\boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}}{|\boldsymbol{m}|\cdot |\boldsymbol{n}|}\dfrac{-3}{\sqrt{34}×1}=-\dfrac{3\sqrt{34}}{34}$
由图可知,二面角$A_{1}-AB-C$为锐角,
故二面角$A_{1}-AB-C$的余弦值为$\dfrac{3\sqrt{34}}{34}$.

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