| 6.5.1 直线与平面垂直 题目答案及解析

稿件来源:高途

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必修二

第六章 立体几何初步

6.5 垂直关系

6.5.1 直线与平面垂直

在三棱锥$P-ABC$中,平面$PAC\perp$平面$ABC$$PA=AC=CP=2$$AB=BC=\sqrt{2}$

$(1)$$O$是棱$AC$的中点,证明:$BO\perp$平面$PAC$,并求三棱锥$B-OPA$的体积;

$(2)$求二面角$B-PC-A$的大小.

[["

$(1)$证明见解析,三棱锥$B-OPA$的体积$V=\\dfrac{\\sqrt{3}}{6}$

$(2)$$\\arccos \\dfrac{\\sqrt{21}}{7}$

"]]

$(1)$证明:连接$BO$

$\because AB=BC=\sqrt{2}$

$\therefore BO\perp AC$

$\because $ 平面$PAC\perp$平面$ABC$,交线为$AC$

$BO\subset$平面$ABC$

$\therefore BO\perp$平面$PAC$

$\because PA=AC=CP=2$

$\therefore PO\perp AC$$AO=1$$PO=\sqrt{A{P}^{2}-A{O}^{2}}=\sqrt{3}$

${S}_{\triangle OPA}=\dfrac{1}{2}OP\cdot AO=\dfrac{1}{2}\times \sqrt{3}\times 1=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$

$AB=\sqrt{2}$,由勾股定理得$BO=\sqrt{A{B}^{2}-A{O}^{2}}=\sqrt{2-1}=1$

$BO\perp$平面$PAC$

三棱锥$B-OPA$的体积$V=\dfrac{1}{3}{S}_{\triangle OPA}\cdot BO=\dfrac{1}{3}\times \dfrac{\sqrt{3}}{2}\times 1=\dfrac{\sqrt{3}}{6}$

$(2)$$(1)$知,$BO\perp$平面$PAC$$OC$$OP\subset$平面$PAC$

$\therefore BO\perp OC$$BO\perp OP$,又$PO\perp AC$,故$OB$$OC$$OP$两两垂直,

$O$为坐标原点,$OB$$OC$$OP$所在直线分别为$x$$y$$z$轴,建立空间直角坐标系,

$B(1,0,0),P(0,0,\sqrt{3}),C(0,1,0),A(0,-1,0)$

$\overrightarrow{BP}=(-1,0,\sqrt{3}),\overrightarrow{PC}=(0,1,-\sqrt{3})$

设平面$BPC$的一个法向量为$\boldsymbol{m}=(x,y,z)$

$\begin{cases}{\boldsymbol{m}\perp \overrightarrow{BP}}\\ {\boldsymbol{m}\perp \overrightarrow{PC}}\end{cases}$,则$\begin{cases}\boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{BP}=(x,y,z)\cdot (-1,0,\sqrt{3})=-x+\sqrt{3}z=0\\ \boldsymbol{m}\cdot \overrightarrow{PC}=(x,y,z)\cdot (0,1,-\sqrt{3})=y-\sqrt{3}z=0\end{cases}$

$z=1$$x=y=\sqrt{3}$,故$\boldsymbol{m}=(\sqrt{3},\sqrt{3},1)$

又平面$PCA$的一个法向量为$\boldsymbol{n}=(1,0,0)$

$\cos \lt \boldsymbol{m},\boldsymbol{n}\gt =\dfrac{\boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}}{\vert \boldsymbol{m}\vert \cdot \vert \boldsymbol{n}\vert }=\dfrac{(\sqrt{3},\sqrt{3},1)\cdot (1,0,0)}{\sqrt{3+3+1}}=\dfrac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}}=\dfrac{\sqrt{21}}{7}$

由图可知,二面角$B-PC-A$为锐角,

故二面角$B-PC-A$的大小为$\arccos \dfrac{\sqrt{21}}{7}$

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