| 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,正方体$ABCD-{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}{{D}_{1}}$中,$P$为棱$A{{A}_{1}}$上一点;

  

$(1)$试过点$P$在平面$AD{{D}_{1}}{{A}_{1}}$上作一条直线$PQ$,使得$PQ\perp {{C}_{1}}P$,写出作法并说明理由;

$(2)$$P$为棱$A{{A}_{1}}$的中点,$Q$为棱$AD$上一点,且$PQ\perp {{C}_{1}}P$,求异面直线$PQ$${{C}_{1}}D$所成的角$.$

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$(1)$作法见解析,理由见解析

$(2)$$\\arccos \\dfrac{\\sqrt{10}}{5}$

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$(1)$解:连接$P{{D}_{1}}$

    

过点$P$在平面$A A_1D_1D$内作$PQ\perp P{{D}_{1}}$,则$PQ\perp P{{C}_{1}}$,理由如下:

在正方体$ABCD-{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}{{D}_{1}}$中,${{C}_{1}}{{D}_{1}}\perp $平面$A A_1D_1D$$PQ\subset $平面$A A_1D_1D$,则$PQ\perp {{C}_{1}}{{D}_{1}}$

$\because PQ\perp P{{D}_{1}}$$P{{C}_{1}}\cap P{{D}_{1}}=P$$P{{C}_{1}}$$P{{D}_{1}}\subset $平面$P{{C}_{1}}{{D}_{1}}$

$\therefore $$PQ\perp $平面$P{{C}_{1}}{{D}_{1}}$

$\because P{{C}_{1}}\subset $平面$P{{C}_{1}}{{D}_{1}}$

$\therefore $$PQ\perp P{{C}_{1}}$$.$

$(2)$解:设正方体$ABCD-{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}{{D}_{1}}$的棱长为$4$,设$AQ=a\left( 0\le a\le 4 \right)$,则$DQ=4-a$

  

$(1)$可知,若$P{{C}_{1}}\perp PQ$,则$P{{D}_{1}}\perp PQ$

由勾股定理可得$P{{D}_{1}}=\sqrt{{{A}_{1}}{\rm D}_{1}^{2}+{{A}_{1}}{{P}^{2}}}=\sqrt{{{4}^{2}}+{{2}^{2}}}=2\sqrt{5}$

同理可得$PQ=\sqrt{{{a}^{2}}+4}$${{D}_{1}}Q=\sqrt{{{\left( 4-a \right)}^{2}}+16}=\sqrt{{{a}^{2}}-8a+32}$

$\therefore $$P{\rm D}_{1}^{2}+P{{Q}^{2}}={{D}_{1}}{{Q}^{2}}$,即$20+{{a}^{2}}+4={{a}^{2}}-8a+32$,解得$a=1$,即$AQ=1$

分别取线段$AD$${{A}_{1}}{{D}_{1}}$的中点$F$$E$,连接$DE$${{A}_{1}}F$,则$AF=2$

$\therefore $$Q$$AF$的中点,又$\because P$$A{{A}_{1}}$的中点,

$\therefore $$PQ\text{//}{{A}_{1}}F$

$\because AD\text{//}{{A}_{1}}{{D}_{1}}$$AD={{A}_{1}}{{D}_{1}}$$F$$E$分别为$AD$${{A}_{1}}{{D}_{1}}$的中点,

$\therefore $${{A}_{1}}E\text{//}DF$${{A}_{1}}E=DF$

故四边形${{A}_{1}}EDF$为平行四边形,则$DE\text{//}{{A}_{1}}F$

$\therefore $$PQ\text{//}DE$

$\therefore $ ,异面直线$PQ$${{C}_{1}}D$所成的角为$\angle {{C}_{1}}DE$

$\triangle {{C}_{1}}DE$中,由勾股定理可得$DE=\sqrt{D{\rm D}_{1}^{2}+{{D}_{1}}{{E}^{2}}}=\sqrt{{{4}^{2}}+{{2}^{2}}}=2\sqrt{5}$

同理可得${{C}_{1}}E=2\sqrt{5}$${{C}_{1}}D=4\sqrt{2}$

由余弦定理可得$\cos \angle {{C}_{1}}DE=\dfrac{{{C}_{1}}{{D}^{2}}+D{{E}^{2}}-{{C}_{1}}{{E}^{2}}}{2{{C}_{1}}D\cdot DE}=\dfrac{32+20-20}{2\times 4\sqrt{2}\times 2\sqrt{5}}=\dfrac{\sqrt{10}}{5}$,

因此,异面直线$PQ$${{C}_{1}}D$所成的角为$\arccos \dfrac{\sqrt{10}}{5}$$.$

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