(12分)如图,在四棱锥P﹣ABCD中,AB∥CD,且 B…——2017 高考数学第 18 题答案解析

2017_新课标I Paper

2017 National Question 18 Free-response Differentiating
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18.(12分)如图,在四棱锥P﹣ABCD中,AB∥CD,且 $\angle B A P = \angle C D P = 9 0 ^ { \circ }$

(1)证明:平面PAB⊥平面PAD;

(2)若 $P A = P D = A B = D C$ $\angle A P D = 9 0 ^ { \circ }$ ,且四棱锥P﹣ABCD的体积为 $\frac { 8 } { 3 }$ ,求该四棱锥的侧面积

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(1)证明:
由已知 $\angle BAP = \angle CDP = 90^\circ$,可得 $AB \perp PA$,$CD \perp PD$。
因为 $AB \parallel CD$,所以 $AB \perp PD$。
又因为 $PA \cap PD = P$,且 $PA, PD \subset$ 平面 $PAD$,
所以 $AB \perp$ 平面 $PAD$。
因为 $AB \subset$ 平面 $PAB$,
所以平面 $PAB \perp$ 平面 $PAD$。

(2)解:
设 $PA=PD=AB=DC=a$。
在 $\triangle PAD$ 中,因为 $PA=PD=a$,$\angle APD=90^\circ$,
所以 $AD = \sqrt{PA^2+PD^2} = \sqrt{a^2+a^2} = \sqrt{2}a$。
取 $AD$ 的中点 $O$,连接 $PO$。
因为 $PA=PD$,所以 $PO \perp AD$,且 $PO = \frac{1}{2}AD = \frac{\sqrt{2}}{2}a$。
由(1)知 $AB \perp$ 平面 $PAD$,而 $AD \subset$ 平面 $PAD$,所以 $AB \perp AD$。
又 $AB \parallel CD$,故四边形 $ABCD$ 为矩形,其面积 $S_{ABCD} = AB \cdot AD = a \cdot \sqrt{2}a = \sqrt{2}a^2$。
因为平面 $PAD \perp$ 平面 $ABCD$(由 $AB \perp$ 平面 $PAD$ 且 $AB \subset$ 平面 $ABCD$ 推得),交线为 $AD$,且 $PO \perp AD$,
所以 $PO \perp$ 平面 $ABCD$,即 $PO$ 为四棱锥的高。
四棱锥 $P-ABCD$ 的体积 $V = \frac{1}{3} S_{ABCD} \cdot PO = \frac{1}{3} \cdot \sqrt{2}a^2 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2}a = \frac{1}{3}a^3$。
由题意 $V = \frac{8}{3}$,即 $\frac{1}{3}a^3 = \frac{8}{3}$,解得 $a=2$。
所以 $PA=PD=AB=DC=2$,$AD=BC=2\sqrt{2}$,$PO=\sqrt{2}$。

接下来计算四个侧面的面积:
1. $\triangle PAD$:直角三角形,$S_{\triangle PAD} = \frac{1}{2} PA \cdot PD = \frac{1}{2} \times 2 \times 2 = 2$。
2. $\triangle PAB$:由(1)知 $AB \perp$ 平面 $PAD$,故 $AB \perp PA$,$\triangle PAB$ 为直角三角形。
$S_{\triangle PAB} = \frac{1}{2} PA \cdot AB = \frac{1}{2} \times 2 \times 2 = 2$。
3. $\triangle PDC$:同理,$CD \perp$ 平面 $PAD$(因 $CD \parallel AB$),故 $CD \perp PD$,$\triangle PDC$ 为直角三角形。
$S_{\triangle PDC} = \frac{1}{2} PD \cdot DC = \frac{1}{2} \times 2 \times 2 = 2$。
4. $\triangle PBC$:
在 Rt$\triangle PAB$ 中,$PB = \sqrt{PA^2+AB^2} = \sqrt{2^2+2^2} = 2\sqrt{2}$。
在 Rt$\triangle PDC$ 中,$PC = \sqrt{PD^2+DC^2} = \sqrt{2^2+2^2} = 2\sqrt{2}$。
又 $BC = AD = 2\sqrt{2}$,所以 $\triangle PBC$ 是边长为 $2\sqrt{2}$ 的等边三角形。
$S_{\triangle PBC} = \frac{\sqrt{3}}{4} \times (2\sqrt{2})^2 = \frac{\sqrt{3}}{4} \times 8 = 2\sqrt{3}$。

综上,该四棱锥的侧面积 $S = S_{\triangle PAD} + S_{\triangle PAB} + S_{\triangle PDC} + S_{\triangle PBC} = 2 + 2 + 2 + 2\sqrt{3} = 6 + 2\sqrt{3}$。

✅ 来源:2017年 · 全国 · 2017_新课标I卷 · 第 18 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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