| 1.2.4 二面角 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选择性必修一

第一章 空间向量与立体几何

1.2 空间向量在立体几何中的应用

1.2.4 二面角

如图,在直四棱柱$ABCD-{{A}_{1}}{{B}_{1}}{{C}_{1}}{{D}_{1}}$中,底面$ABCD$为直角梯形,$AB\perp AD$$AD\parallel BC$$AD=2AB=2BC$$P$${{A}_{1}}{{D}_{1}}$上一点,且$\triangle PAD$为正三角形,$Q$$PD$上一点.

$(1)$$PD=3PQ$,求证:$PB\parallel$平面$ACQ$

$(2)$$PQ\perp $平面$ABQ$时,求平面$ACQ$与平面$APB$所成锐二面角的余弦值.

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$(1)$证明见解析

$(2)$$\\dfrac{\\sqrt{15}}{5}$

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$(1)$如图,连接$BD$$AC$交于点$R$,连接$QR$

$∵$$AD\mathrm{}BC$$∴$$\triangle BCR\mathsf{\backsim }\triangle DAR$

$∴$$\dfrac{BR}{DR}=\dfrac{BC}{DA}=\dfrac{1}{2}$

$PD=3PQ$$∴$$\dfrac{PQ}{QD}=\dfrac{1}{2}=\dfrac{BR}{DR}$

$∴$$PB\parallel QR$

$PB\not\subset $平面$ACQ$$QR\subset$平面$ACQ$

$∴$$PB\parallel$平面$ACQ$

$(2)∵$$PQ\perp $平面$ABQ$$AQ\subset $平面$ABQ$$∴$$PQ\perp AQ$

$∵$$\triangle PAD$为正三角形,$∴P$${{A}_{1}}{{D}_{1}}$的中点,$Q$$PD$的中点.

$A$为坐标原点,以$AB$$AD$$A{{A}_{1}}$所在直线分别为$x$$y$$z$轴建立空间直角坐标系,如图所示.

$AD=2AB=2BC=4$,则$A{{A}_{1}}=2\sqrt{3}$

$A\left( 0,0,0 \right)$$B\left( 2,0,0 \right)$$C\left( 2,2,0 \right)$$P\left( 0,2,2\sqrt{3} \right)$$Q\left( 0,3,\sqrt{3} \right)$

$∴$$\overrightarrow{AB}=\left( 2,0,0 \right)$$\overrightarrow{AC}=\left( 2,2,0 \right)$$\overrightarrow{AP}=\left( 0,2,2\sqrt{3} \right)$$\overrightarrow{AQ}=\left( 0,3,\sqrt{3} \right)$

设平面$ACQ$的法向量为${{\boldsymbol{n}}_{1}}=\left( {{x}_{1}},{{y}_{1}},{{z}_{1}} \right)$

$\begin{cases} {{{\boldsymbol{n}}}_{1}}\perp \overrightarrow{AC} \\ {{{\boldsymbol{n}}}_{1}}\perp \overrightarrow{AQ} \\ \end{cases}$,得$\begin{cases} 2{{x}_{1}}+2{{y}_{1}}=0 \\ 3{{y}_{1}}+\sqrt{3}{{z}_{1}}=0 \\ \end{cases}$

${{x}_{1}}=1$,得${{\boldsymbol{n}}_{1}}=\left( 1,-1,\sqrt{3} \right)$

设平面$APB$的法向量为${{\boldsymbol{n}}_{2}}=\left( {{x}_{2}},{{y}_{2}},{{z}_{2}} \right)$

$\begin{cases} {{{\boldsymbol{n}}}_{2}}\perp \overrightarrow{AP} \\ {{{\boldsymbol{n}}}_{2}}\perp \overrightarrow{AB} \\ \end{cases}$,得$\begin{cases} 2{{y}_{2}}+2\sqrt{3}{{z}_{2}}=0 \\ 2{{x}_{2}}=0 \\ \end{cases}$,得${{x}_{2}}=0$

${{y}_{2}}=\sqrt{3}$,得${{\boldsymbol{n}}_{2}}=\left( 0,\sqrt{3},-1 \right)$

$∴$$\cos \left\langle {{\boldsymbol{n}}_{1}},{{\boldsymbol{n}}_{2}} \right\rangle =\dfrac{{{\boldsymbol{n}}_{1}}\cdot {{\boldsymbol{n}}_{2}}}{\left| {{\boldsymbol{n}}_{1}} \right|\cdot \left| {{\boldsymbol{n}}_{2}} \right|}=\dfrac{-2\sqrt{3}}{\sqrt{5}\times 2}=-\dfrac{\sqrt{15}}{5}$

$∴$平面$ACQ$与平面$APB$所成锐二面角的余弦值为$\dfrac{\sqrt{15}}{5}$

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