| 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,已知三棱台$ABC-A_{1}B_{1}C_{1}$的体积为$\dfrac{14\sqrt{3}}{3}$,底面$\triangle $$ABC$是以$B$为直角顶点的等腰直角三角形,平面$ABB_{1}A_{1}\perp$平面$ABC$,且$AA_{1}=A_{1}B_{1}=BB_{1}=\dfrac{1}{2}AB$

$(1)$证明:$BC\perp$平面$ABB_{1}A_{1}$

$(2)$求点$B$到平面$ACC_{1}A_{1}$的距离;

$(3)$在线段$CC_{1}$上是否存在点$F$,使得二面角$F-AB-C$的大小为$\dfrac{\pi }{6}$?若存在,求出$CF$的长;若不存在,请说明理由.

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$(1)$证明见解析;

$(2)$$\\dfrac{4\\sqrt{21}}{7}$

$(3)$存在,$CF=\\dfrac{8\\sqrt{2}}{5}$

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$(1)$在三棱台$ABC-A_{1}B_{1}C_{1}$中,平面$ABB_{1}A_{1}\perp$平面$ABC$$AB\perp BC$

而平面$ABB_{1}A_{1}\cap$平面$ABC=AB$$BC\subset$平面$ABC$

$\therefore BC\perp$平面$ABB_{1}A_{1}$

$(2)$由棱台性质知:延长$AA_{1}$$BB_{1}$$CC_{1}$交于一点$P$

${A}_{1}{B}_{1}=\dfrac{1}{2}AB$,得${S}_{\triangle ABC}=4{S}_{\triangle {A_1}{B}_{1}{C}_{1}}$

$P$到平面$ABC$的距离为到平面$A_{1}B_{1}C_{1}$距离的$2$倍,则${V}_{P-ABC}=8{V}_{P-{A_1}{B}_{1}{C}_{1}}$

于是${V}_{P-ABC}=\dfrac{8}{7}{V}_{ABC-{A_1}{B}_{1}{C}_{1}}=\dfrac{8}{7}\times \dfrac{14\sqrt{3}}{3}=\dfrac{16\sqrt{3}}{3}$

$BC\perp$平面$ABB_{1}A_{1}$,得$BC$为点$C$到平面$PAB$的距离,

$A_{1}B_{1}//AB$,则$A_{1}$$PA$的中点,$PA_{1}=AA_{1}=A_{1}B_{1}=PB_{1}$

$\triangle $$PA_{1}B_{1}$为正三角形,$\triangle $$PAB$为正三角形,

$AB=2x$,则$BC=PA=PB=AB=2x$

${V}_{P-ABC}=\dfrac{1}{3}{S}_{\triangle PAB}\cdot BC=\dfrac{1}{3}\times \dfrac{\sqrt{3}}{4}\times (2x)^{2}\times 2x=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}{x}^{3}=\dfrac{16\sqrt{3}}{3}$,解得$x=2$

$AB=BC=PA=PB=4$,由$PB\subset$平面$PAB$,得$BC\perp PB$$AC=PC=4\sqrt{2}$

${S}_{\triangle PAC}=\dfrac{1}{2}\times 4\times \sqrt{(4\sqrt{2})^{2}-{2}^{2}}=4\sqrt{7}$

设点$B$到平面$ACC_{1}A_{1}$的距离为$d$

$V_{P-ABC}=V_{B-PAC}$,得$\dfrac{1}{3}{S}_{\triangle PAC}\cdot d=\dfrac{4\sqrt{7}}{3}d=\dfrac{16\sqrt{3}}{3}$

解得:$d=\dfrac{4\sqrt{21}}{7}$

即点$B$到平面$ACC_{1}A_{1}$的距离为$\dfrac{4\sqrt{21}}{7}$

$(3)$$BC\perp$平面$ABB_{1}A_{1}$$BC\subset$平面$ABC$,得平面$ABC\perp$平面$PAB$,取$AB$中点$N$,连接$PN$

在正$\triangle $$PAB$中,$PN\perp AB$,而平面$ABC\cap$平面$PAB=AB$,则$PN\perp$平面$ABC$,而$CN\subset$平面$ABC$

$PN\perp CN$,又$PN\subset$平面$PNC$,则平面$PNC\perp$平面$ABC$,作$FE\perp CN$$E$

平面$PNC\cap$平面$ABC=CN$,则$FE\perp$平面$ABC$$FE//PN$,而$AB\subset$平面$ABC$,则$AB\perp FE$

$ED\perp AB$$D$,连接$FD$$DE\cap FE=E$$DE$$FE\subset$平面$DEF$,则$AB\perp$平面$DEF$

$FD\subset$平面$DEF$,于是$AB\perp FD$$\angle FDE$即二面角$F-AB-C$的平面角,

$FE=\sqrt{3}t$,由$(2)$知:$PN=2\sqrt{3}$$CN=\sqrt{B{C}^{2}+B{N}^{2}}=2\sqrt{5}$

$\dfrac{EF}{PN}=\dfrac{CE}{CN}$,得$CE=\dfrac{\sqrt{5}}{\sqrt{3}}\cdot \sqrt{3}t=\sqrt{5}t$$EN=2\sqrt{5}-\sqrt{5}t$

$DE//BC$,得$DE=\dfrac{EN}{CN}\cdot BC=\dfrac{2\sqrt{5}-\sqrt{5}t}{2\sqrt{5}}\times 4=4-2t$

若存在$F$使得二面角$F-AB-C$的大小为$\dfrac{\pi }{6}$

$\tan \angle FDE=\tan \dfrac{\pi }{6}=\dfrac{FE}{DE}=\dfrac{\sqrt{3}t}{4-2t}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}$,解得$t=\dfrac{4}{5}$

$CF=\sqrt{C{E}^{2}+E{F}^{2}}=2\sqrt{2}t=\dfrac{8\sqrt{2}}{5}\lt C{C}_{1}=2\sqrt{2}$

$\therefore $ 存在满足题意的点$F$$CF=\dfrac{8\sqrt{2}}{5}$

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