| 8.6.2 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,在三棱柱$ABC-{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}$中,底面是边长为$6$的等边三角形,$C C_{1}=6$$\angle AC{{C}_{1}}=60{}^\circ $$D$$E$分别是线段$AC$$C{{C}_{1}}$的中点,平面$ABC\perp $平面${{C}_{1}}CA{{A}_{1}}$

$(1)$求证:${{A}_{1}}C\perp $平面$BDE$

$(2)$若点$P$为线段$B_{1}C_{1}$上的中点,求平面$PBD$与平面$BDE$的夹角的余弦值.

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$(1)$证明见解析;

$(2)$$\\dfrac{5 \\sqrt{13}}{26}$

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$(1)$连接$A{{C}_{1}}$,四边形$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$是菱形,则${{A}_{1}}C\perp A{{C}_{1}}$,又$D$$E$分别为$AC$$C{{C}_{1}}$的中点

$\therefore DE//A{{C}_{1}}$,故${{A}_{1}}C\perp DE$

$\triangle ABC$为等边三角形,$D$$AC$的中点,则$BD\perp AC$

平面$ABC\perp $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,平面$ABC\cap $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A=AC$$BD\subset $平面$ABC$

$\therefore BD\perp $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,又${{A}_{1}}C\subset $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,故$BD\perp {{A}_{1}}C$

${{A}_{1}}C\perp DE$$BD\cap DE=D$$BD$$DE\subset $平面$BDE$,可得${{A}_{1}}C\perp $平面$BDE$$.$

$(2)$$AC=C{{C}_{1}}=6$$\angle AC{{C}_{1}}=60{}^\circ $$\triangle {{C}_{1}}CA$为等边三角形,

$D$$AC$的中点,则${{C}_{1}}D\perp AC$,由$(1)$$BD\perp $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$

$D$为原点,$DB$$DA$$D{{C}_{1}}$所在直线分别为$x$轴、$y$轴、$z$轴,建立如图所示的空间直角坐标系,

$D\left( 0,0,0 \right)$$B\left( 3\sqrt{3},0,0 \right)$${{C}_{1}}\left( 0,0,3\sqrt{3} \right)$$C\left( 0,-3,0 \right)$${{A}_{1}}\left( 0,6,3\sqrt{3} \right)$

$\overrightarrow{{{C}_{1}}P}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{CB}=\left( \dfrac{3\sqrt{3}}{2},\dfrac{3}{2},0 \right)$,则$P\left( \dfrac{3\sqrt{3}}{2},\dfrac{3}{2},3\sqrt{3} \right)$

$\therefore \overrightarrow{DB}=\left( 3\sqrt{3},0,0 \right)$$\overrightarrow{DP}=\left( \dfrac{3\sqrt{3}}{2},\dfrac{3}{2},3\sqrt{3} \right)$

设平面$PBD$的一个法向量为$\boldsymbol{n}=\left( x,y,z \right)$,则$\begin{cases} \boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{DB}=3\sqrt{3}x=0 \\ \boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{DP}=\dfrac{3\sqrt{3}}{2}x+\dfrac{3}{2}y+3\sqrt{3}z=0 \\ \end{cases}$

$z=1$

$\therefore \boldsymbol{n}=\left( 0,-2\sqrt{3},1 \right)$

$(1)$$\boldsymbol{m}=\overrightarrow{C{{A}_{1}}}=\left( 0,9,3\sqrt{3} \right)$是平面$BDE$的一个法向量,

$\left| \cos \langle \boldsymbol{m},\boldsymbol{n}\rangle \right|=\left| \dfrac{\boldsymbol{m}\cdot \boldsymbol{n}}{\left| {\boldsymbol{m}} \right|\left| {\boldsymbol{n}} \right|} \right|=\dfrac{15\sqrt{3}}{6\sqrt{3}\times \sqrt{13}}=\dfrac{5\sqrt{13}}{26}$

即平面$PBD$与平面$BDE$的夹角的余弦值为$\dfrac{5 \sqrt{13}}{26}$

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