稿件来源:高途
| 8.6.2 直线与平面垂直题目答案及解析如下,仅供参考!
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.
$(1)$证明见解析;
$(2)$$\\dfrac{5 \\sqrt{13}}{26}$
"]]$(1)$连接$A{{C}_{1}}$,四边形$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$是菱形,则${{A}_{1}}C\perp A{{C}_{1}}$,又$D$,$E$分别为$AC$,$C{{C}_{1}}$的中点
$\therefore DE//A{{C}_{1}}$,故${{A}_{1}}C\perp DE$,
又$\triangle ABC$为等边三角形,$D$为$AC$的中点,则$BD\perp AC$
平面$ABC\perp $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,平面$ABC\cap $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A=AC$,$BD\subset $平面$ABC$,
$\therefore BD\perp $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,又${{A}_{1}}C\subset $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,故$BD\perp {{A}_{1}}C$
又${{A}_{1}}C\perp DE$,$BD\cap DE=D$,$BD$,$DE\subset $平面$BDE$,可得${{A}_{1}}C\perp $平面$BDE$$.$
$(2)$$AC=C{{C}_{1}}=6$,$\angle AC{{C}_{1}}=60{}^\circ $,$\triangle {{C}_{1}}CA$为等边三角形,
$D$是$AC$的中点,则${{C}_{1}}D\perp AC$,由$(1)$得$BD\perp $平面$C{{C}_{1}}{{A}_{1}}A$,
以$D$为原点,$DB$,$DA$,$D{{C}_{1}}$所在直线分别为$x$轴、$y$轴、$z$轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
则$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$\begin{cases} \boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{DB}=3\sqrt{3}x=0 \\ \boldsymbol{n}\cdot \overrightarrow{DP}=\dfrac{3\sqrt{3}}{2}x+\dfrac{3}{2}y+3\sqrt{3}z=0 \\ \end{cases}$,
取$z=1$,
$\therefore \boldsymbol{n}=\left( 0,-2\sqrt{3},1 \right)$,
由$(1)$得$\boldsymbol{m}=\overrightarrow{C{{A}_{1}}}=\left( 0,9,3\sqrt{3} \right)$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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