(14分)如图,在四棱锥P﹣ABCD中,底面ABCD 为矩…——2018 高考数学第 18 题答案解析

2018_北京 Paper

2018 Beijing Question 18 Free-response Differentiating
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18.(14分)如图,在四棱锥P﹣ABCD中,底面ABCD 为矩形,平面PAD⊥平面 ABCD,PA⊥PD,$PA=PD$,E,F 分别为 AD,PB 的中点

(Ⅰ)求证:PE⊥BC;

(Ⅱ)求证:平面PAB⊥平面PCD;

(Ⅲ)求证:EF∥平面 PCD

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(Ⅰ)因为 $PA=PD$,且 $E$ 为 $AD$ 的中点,根据等腰三角形“三线合一”性质,可得 $PE \perp AD$。
又因为底面 $ABCD$ 为矩形,所以 $BC \parallel AD$。
由线线垂直的传递性可知,$PE \perp BC$。

(Ⅱ)因为平面 $PAD \perp$ 平面 $ABCD$,且交线为 $AD$,
在矩形 $ABCD$ 中,$AB \perp AD$,且 $AB \subset$ 平面 $ABCD$,
根据面面垂直的性质定理,可得 $AB \perp$ 平面 $PAD$。
因为 $PA \subset$ 平面 $PAD$,所以 $AB \perp PA$。
同理,因为 $CD \parallel AB$,所以 $CD \perp$ 平面 $PAD$,进而 $CD \perp PD$。

设平面 $PAB$ 与平面 $PCD$ 的交线为 $l$。
因为 $AB \parallel CD$,且 $AB \subset$ 平面 $PAB$,$CD \not\subset$ 平面 $PAB$,所以 $CD \parallel$ 平面 $PAB$。
又因为 $CD \subset$ 平面 $PCD$,平面 $PAB \cap$ 平面 $PCD = l$,
根据线面平行的性质定理,可得 $CD \parallel l$,进而 $AB \parallel l$。

由前述可知 $PA \perp AB$,$PD \perp CD$,且 $AB \parallel l \parallel CD$,
所以 $PA \perp l$,$PD \perp l$。
即 $\angle APD$ 为二面角 $A-l-D$ 的平面角(也是平面 $PAB$ 与平面 $PCD$ 所成二面角的平面角)。
已知 $PA \perp PD$,即 $\angle APD = 90^\circ$。
所以平面 $PAB \perp$ 平面 $PCD$。

(Ⅲ)取 $PC$ 的中点 $H$,连接 $FH, DH$。
在 $\triangle PBC$ 中,$F$ 为 $PB$ 中点,$H$ 为 $PC$ 中点,
所以 $FH$ 为 $\triangle PBC$ 的中位线,故 $FH \parallel BC$ 且 $FH = \frac{1}{2}BC$。
在矩形 $ABCD$ 中,$E$ 为 $AD$ 中点,所以 $DE \parallel BC$ 且 $DE = \frac{1}{2}AD = \frac{1}{2}BC$。
由此可得 $FH \parallel DE$ 且 $FH = DE$。
所以四边形 $EFHD$ 为平行四边形,故 $EF \parallel DH$。
因为 $EF \not\subset$ 平面 $PCD$,$DH \subset$ 平面 $PCD$,
所以 $EF \parallel$ 平面 $PCD$。

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