(14分)如图,在四棱锥 P ~ - ~ A B C D…——2019 高考数学第 18 题答案解析

2019_北京 Paper

2019 Beijing Question 18 Free-response Differentiating
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18.(14分)如图,在四棱锥 $P \mathrm { ~ - ~ } A B C D$ 中, $P A \bot$ 平面 ABCD,底面 ABCD 为菱形,E 为 CD的中点

(Ⅰ)求证:BD⊥平面PAC;

(Ⅱ)若 $\angle A B C = 6 0 ^ { \circ }$ ,求证:平面PAB⊥平面PAE;

(Ⅲ)棱PB 上是否存在点F,使得CF∥平面PAE?说明理由

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(Ⅰ)证明:
因为 $PA \bot$ 平面 $ABCD$,且 $BD \subset$ 平面 $ABCD$,
所以 $PA \bot BD$.
又因为底面 $ABCD$ 为菱形,根据菱形的性质,对角线互相垂直,
所以 $AC \bot BD$.
因为 $PA \cap AC = A$,且 $PA, AC \subset$ 平面 $PAC$,
所以 $BD \bot$ 平面 $PAC$.

(Ⅱ)证明:
因为底面 $ABCD$ 为菱形,且 $\angle ABC = 60^{\circ}$,
所以 $\triangle ABC$ 和 $\triangle ADC$ 均为等边三角形.
因为 $E$ 为 $CD$ 的中点,所以在等边 $\triangle ADC$ 中,$AE \bot CD$.
又因为菱形中 $AB // CD$,
所以 $AE \bot AB$.
因为 $PA \bot$ 平面 $ABCD$,且 $AE \subset$ 平面 $ABCD$,
所以 $PA \bot AE$.
因为 $PA \cap AB = A$,且 $PA, AB \subset$ 平面 $PAB$,
所以 $AE \bot$ 平面 $PAB$.
又因为 $AE \subset$ 平面 $PAE$,
所以平面 $PAB \bot$ 平面 $PAE$.

(Ⅲ)解:
棱 $PB$ 上存在点 $F$,使得 $CF //$ 平面 $PAE$,此时点 $F$ 为棱 $PB$ 的中点.
理由如下:
取 $AB$ 的中点 $G$,连接 $FG, CG$.
因为 $F$ 为 $PB$ 的中点,$G$ 为 $AB$ 的中点,
所以 $FG$ 为 $\triangle PAB$ 的中位线,故 $FG // PA$.
因为 $PA \subset$ 平面 $PAE$,$FG \not\subset$ 平面 $PAE$,
所以 $FG //$ 平面 $PAE$.
在菱形 $ABCD$ 中,$E$ 为 $CD$ 中点,$G$ 为 $AB$ 中点,
所以 $AG = \frac{1}{2}AB$,$CE = \frac{1}{2}CD$.
因为 $AB = CD$ 且 $AB // CD$,
所以 $AG = CE$ 且 $AG // CE$.
所以四边形 $AECG$ 为平行四边形,故 $CG // AE$.
因为 $AE \subset$ 平面 $PAE$,$CG \not\subset$ 平面 $PAE$,
所以 $CG //$ 平面 $PAE$.
因为 $FG \cap CG = G$,且 $FG, CG \subset$ 平面 $CFG$,
所以平面 $CFG //$ 平面 $PAE$.
因为 $CF \subset$ 平面 $CFG$,
所以 $CF //$ 平面 $PAE$.

✅ 来源:2019年 · 北京 · 2019_北京卷 · 第 18 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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