题目
P-|||-c-|||-o-|||-A B如图,在三棱锥P-ABC中,AB=BC=CA=2,PA=PC=sqrt(3),PB=2sqrt(2).O为AC的中点.(1)证明:平面ABC⊥平面PBO;(2)求直线PA与平面ABC所成角的正弦值.
如图,在三棱锥P-ABC中,AB=BC=CA=2,PA=PC=$\sqrt{3}$,PB=2$\sqrt{2}$.O为AC的中点.(1)证明:平面ABC⊥平面PBO;
(2)求直线PA与平面ABC所成角的正弦值.
题目解答
答案
解:(1)证明:∵△ABC为正三角形,∴AC⊥BO,
∵PA=PC,
∴AC⊥PO,
又PO∩BO=O,PO,BO⊂平面BOP,
∴AC⊥平面BOP,
∵AC⊂平面ABC,
∴平面ABC⊥平面PBO;
(2)过点P作BO的垂线,垂足为H,连接AH,
∵AC⊥平面BOP,AC⊂平面BOP,
∴平面BOP⊥平面ABC,
又平面BOP∩平面ABC=BO,PH⊂平面BOP,
∴PH⊥平面ABC,
∴直线PA与平面ABC所成角为∠PAH,
在△BOP中,$PO=\sqrt{2},BO=\sqrt{3},PB=2\sqrt{2}$,
由余弦定理得$cos∠POB=\frac{2+3-8}{2×\sqrt{2}×\sqrt{3}}=-\frac{\sqrt{6}}{4}$,
∴$sin∠POH=sin∠POB=\frac{\sqrt{10}}{4}$,
∴$PH=PEsin∠POH=\sqrt{2}×\frac{\sqrt{10}}{4}=\frac{\sqrt{5}}{2}$,
又$PA=\sqrt{3}$,故$sin∠PAH=\frac{PH}{PA}=\frac{\frac{\sqrt{5}}{2}}{\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{15}}{6}$,
∴直线PA与平面ABC所成角的正弦值为$\frac{\sqrt{15}}{6}$.
解析
步骤 1:证明AC⊥BO
由于△ABC为正三角形,所以AC⊥BO,这是由于正三角形的中线也是高线,因此垂直于底边。
步骤 2:证明AC⊥PO
由于PA=PC,O为AC的中点,所以PO是等腰三角形PAC的高线,因此AC⊥PO。
步骤 3:证明AC⊥平面BOP
由于AC⊥BO且AC⊥PO,且BO和PO在平面BOP内,根据线面垂直的判定定理,AC⊥平面BOP。
步骤 4:证明平面ABC⊥平面PBO
由于AC⊥平面BOP,且AC在平面ABC内,根据面面垂直的判定定理,平面ABC⊥平面PBO。
步骤 5:求直线PA与平面ABC所成角的正弦值
过点P作BO的垂线,垂足为H,连接AH。由于AC⊥平面BOP,且AC在平面ABC内,所以平面BOP⊥平面ABC。又因为PH⊥BO,所以PH⊥平面ABC。因此,∠PAH是直线PA与平面ABC所成的角。
步骤 6:计算PH的长度
在△BOP中,$PO=\sqrt{2},BO=\sqrt{3},PB=2\sqrt{2}$,由余弦定理得$cos∠POB=\frac{2+3-8}{2×\sqrt{2}×\sqrt{3}}=-\frac{\sqrt{6}}{4}$,所以$sin∠POH=sin∠POB=\frac{\sqrt{10}}{4}$,因此$PH=POsin∠POH=\sqrt{2}×\frac{\sqrt{10}}{4}=\frac{\sqrt{5}}{2}$。
步骤 7:计算sin∠PAH
由于$PA=\sqrt{3}$,所以$sin∠PAH=\frac{PH}{PA}=\frac{\frac{\sqrt{5}}{2}}{\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{15}}{6}$。
由于△ABC为正三角形,所以AC⊥BO,这是由于正三角形的中线也是高线,因此垂直于底边。
步骤 2:证明AC⊥PO
由于PA=PC,O为AC的中点,所以PO是等腰三角形PAC的高线,因此AC⊥PO。
步骤 3:证明AC⊥平面BOP
由于AC⊥BO且AC⊥PO,且BO和PO在平面BOP内,根据线面垂直的判定定理,AC⊥平面BOP。
步骤 4:证明平面ABC⊥平面PBO
由于AC⊥平面BOP,且AC在平面ABC内,根据面面垂直的判定定理,平面ABC⊥平面PBO。
步骤 5:求直线PA与平面ABC所成角的正弦值
过点P作BO的垂线,垂足为H,连接AH。由于AC⊥平面BOP,且AC在平面ABC内,所以平面BOP⊥平面ABC。又因为PH⊥BO,所以PH⊥平面ABC。因此,∠PAH是直线PA与平面ABC所成的角。
步骤 6:计算PH的长度
在△BOP中,$PO=\sqrt{2},BO=\sqrt{3},PB=2\sqrt{2}$,由余弦定理得$cos∠POB=\frac{2+3-8}{2×\sqrt{2}×\sqrt{3}}=-\frac{\sqrt{6}}{4}$,所以$sin∠POH=sin∠POB=\frac{\sqrt{10}}{4}$,因此$PH=POsin∠POH=\sqrt{2}×\frac{\sqrt{10}}{4}=\frac{\sqrt{5}}{2}$。
步骤 7:计算sin∠PAH
由于$PA=\sqrt{3}$,所以$sin∠PAH=\frac{PH}{PA}=\frac{\frac{\sqrt{5}}{2}}{\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{15}}{6}$。