| 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)$$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.

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$(1)$证明见解析;

$(2)1$

$(3)$$2\\sqrt{3}$

"]]

$(1)$证明:连接$AC$

$\triangle ABC$中,由余弦定理得,$\cos \angle ABC=\dfrac{{1}^{2}+{2}^{2}-A{C}^{2}}{4}=\dfrac{1}{2}\Rightarrow AC=\sqrt{3}$

$\therefore AB^{2}+AC^{2}=1+3=BC^{2}$

$\therefore \angle BAC=\dfrac{\pi }{2}$

$\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$

$\therefore PA\perp CD$

$PA\cap AC=A$$PA$$AC\subset$平面$PAC$

$\therefore CD\perp$平面$PAC$

$MN\subset$平面$PAC$

$\therefore MN\perp CD$

$(2)$在平面$BMN$中,过点$B$$BE\perp MN$,垂足为$E$,连接$AE$

$(1)$知,$AB\perp$平面$AMN$$MN\subset$平面$AMN$

$\therefore AB\perp MN$

$BE\cap BA=B$$BE$$BA\subset$平面$ABE$

$\therefore MN\perp AE$

$BE\subset$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$

$\therefore PA\perp AC$

$Rt$$\triangle $$PAC$中,$PC=\sqrt{P{A}^{2}+A{C}^{2}}=\sqrt{{3}^{2}+({\sqrt{3})}^{2}}=2\sqrt{3}$

$N$为棱$PC$的中点,

$\therefore AN=CN=\sqrt{3}$

$\therefore AN=AC=CN$,则$\angle NAC=\dfrac{\pi }{3}$

$\therefore \angle NAM=\dfrac{\pi }{2}-\dfrac{\pi }{3}=\dfrac{\pi }{6}$

${\rm Rt}\triangle AEN$中,$\sin \angle ANE=\dfrac{AE}{AN}=\dfrac{1}{2}\Rightarrow \angle ANE=\dfrac{\pi }{6}$

$\therefore AM=MN$,设$AM=MN=x$

$\triangle AMN$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)$$\triangle PAC$$\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'$

$2MN=MN+MN' \geqslant NN'$,当且仅当$M$$N$$N'$在同一直线上时,取得最小值,

$\therefore 2MN+NQ\geqslant NN' +NQ$

$N$$N'$$Q$在同一直线上,且过点$C$时,取得最小值,如图所示,

$2MN+NQ\ge CC' =2AC=2\sqrt{3}$

$2MN+NQ$的最小值为$2\sqrt{3}$

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