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,在四棱锥$P-ABCD$中,底面$ABCD$是平行四边形,$PA\perp$底面$ABCD$,$\angle ABC=\dfrac{\pi }{3}$,$AB=1$,$BC=2$,$PA=3$,$M$,$N$分别是棱$PA$,$PC$上的点(含端点).
$(1)$证明:$MN\perp CD$;
$(2)$若$N$为棱$PC$的中点,且二面角$A-MN-B$的正切值为$\dfrac{2\sqrt{3}}{3}$,求$AM$;
$(3)$设点$Q$是边$CD$上的点(含端点),求$2MN+NQ$的最小值.
$(1)$证明见解析;
$(2)1$;
$(3)$$2\\sqrt{3}$.
"]]$(1)$证明:连接$AC$,
在$\triangle ABC$中,由余弦定理得,$\cos \angle ABC=\dfrac{{1}^{2}+{2}^{2}-A{C}^{2}}{4}=\dfrac{1}{2}\Rightarrow AC=\sqrt{3}$,
$\therefore AB^{2}+AC^{2}=1+3=BC^{2}$,
$\therefore \angle BAC=\dfrac{\pi }{2}$,
又$\because $ 四边形$ABCD$为平行四边形,
$\therefore \angle ACD=\dfrac{\pi }{2}$,即$AC\perp CD$,
$\because PA\perp$平面$ABCD$,$CD\subset$平面$ABCD$,
$\therefore PA\perp CD$,
又$PA\cap AC=A$,$PA$,$AC\subset$平面$PAC$,
$\therefore CD\perp$平面$PAC$,
又$MN\subset$平面$PAC$,
$\therefore MN\perp CD$;
$(2)$在平面$BMN$中,过点$B$作$BE\perp MN$,垂足为$E$,连接$AE$,
由$(1)$知,$AB\perp$平面$AMN$,$MN\subset$平面$AMN$,
$\therefore AB\perp MN$,
又$BE\cap BA=B$,$BE$,$BA\subset$平面$ABE$,
$\therefore MN\perp AE$,
又$BE\subset$平面$BMN$,$AE\subset$平面$AMN$,平面$BMN\cap$平面$AMN=MN$,
$\therefore \angle BEA$为二面角$A-MN-B$的平面角,
$\because AB\perp$平面$AMN$,$AE\subset$平面$AMN$,
$\therefore AB\perp AE$,
则在${\rm Rt}\triangle ABE$中,$\tan \angle AEB=\dfrac{AB}{AE}=\dfrac{1}{AE}=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}\Rightarrow AE=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$,
$\because PA\perp$底面$ABCD$,$AC\subset$平面$ABCD$,
$\therefore PA\perp AC$,
在$Rt$$\triangle $$PAC$中,$PC=\sqrt{P{A}^{2}+A{C}^{2}}=\sqrt{{3}^{2}+({\sqrt{3})}^{2}}=2\sqrt{3}$,
又$N$为棱$PC$的中点,
$\therefore AN=CN=\sqrt{3}$,
$\therefore AN=AC=CN$,则$\angle NAC=\dfrac{\pi }{3}$,
$\therefore \angle NAM=\dfrac{\pi }{2}-\dfrac{\pi }{3}=\dfrac{\pi }{6}$,
在${\rm Rt}\triangle AEN$中,$\sin \angle ANE=\dfrac{AE}{AN}=\dfrac{1}{2}\Rightarrow \angle ANE=\dfrac{\pi }{6}$,
$\therefore AM=MN$,设$AM=MN=x$,
在$\triangle AMN$中,由余弦定理得,$\cos \angle AMN=\dfrac{{x}^{2}+{x}^{2}-3}{2{x}^{2}}=-\dfrac{1}{2}\Rightarrow x=1$,
$\therefore AM=1$.
$(3)$将$\triangle PAC$,$\triangle PCD$在同一平面展开,将$\triangle PAC$沿$PA$对称得$\triangle PAC'$,点$N$沿$PA$对称得$N'$,
则$2MN=MN+MN' \geqslant NN'$,当且仅当$M$,$N$,$N'$在同一直线上时,取得最小值,
$\therefore 2MN+NQ\geqslant NN' +NQ$,
当$N$,$N'$,$Q$在同一直线上,且过点$C$时,取得最小值,如图所示,
则$2MN+NQ\ge CC' =2AC=2\sqrt{3}$,
故$2MN+NQ$的最小值为$2\sqrt{3}$.
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