(12分)如图,四棱锥 P - ABCD 中,底面 ABC…——2014 高考数学第 18 题答案解析

2014_新课标 II 卷 (2014·理)

2014 National Question 18 Free-response Differentiating
2014_新课标 II 卷 (2014·理)

18.(12分)如图,四棱锥 $\mathrm{P}-\mathrm{ABCD}$ 中,底面 ABCD 为矩形, $\mathrm{PA} \perp$ 平面 $\mathrm{ABCD}, \mathrm{E}$为 PD 的中点.
(I)证明: $\mathrm{PB} \|$ 平面 AEC ;
(II)设二面角 $\mathrm{D}-\mathrm{AE}-\mathrm{C}$ 为 $60^{\circ}, \mathrm{AP}=1, \mathrm{AD}=\sqrt{3}$ ,求三棱锥 $\mathrm{E}-\mathrm{ACD}$ 的体积。

Answer key

(I)证明见解析;(II)$\frac{\sqrt{3}}{8}$

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(I)连接 $BD$ 交 $AC$ 于点 $O$,连接 $EO$.
因为底面 $ABCD$ 为矩形,所以 $O$ 为 $BD$ 的中点.
又因为 $E$ 为 $PD$ 的中点,所以在 $\triangle PBD$ 中,$EO$ 为中位线,故 $EO \parallel PB$.
因为 $EO \subset$ 平面 $AEC$,$PB \not\subset$ 平面 $AEC$,
所以 $PB \parallel$ 平面 $AEC$.

(II)因为 $PA \perp$ 平面 $ABCD$,且 $CD \subset$ 平面 $ABCD$,所以 $PA \perp CD$.
又因为底面 $ABCD$ 为矩形,所以 $AD \perp CD$.
因为 $PA \cap AD = A$,所以 $CD \perp$ 平面 $PAD$.
因为 $AE \subset$ 平面 $PAD$,所以 $CD \perp AE$.

在平面 $PAD$ 内,过点 $D$ 作 $DM \perp AE$ 于点 $M$,连接 $CM$.
因为 $CD \perp AE$,$DM \perp AE$,且 $CD \cap DM = D$,
所以 $AE \perp$ 平面 $CDM$,进而 $AE \perp CM$.
故 $\angle CMD$ 即为二面角 $D-AE-C$ 的平面角,由题意知 $\angle CMD = 60^{\circ}$.

在 Rt$\triangle PAD$ 中,$AP=1, AD=\sqrt{3}$,
所以 $PD = \sqrt{AP^2 + AD^2} = \sqrt{1+3} = 2$.
因为 $E$ 为 $PD$ 中点,所以 $AE = \frac{1}{2}PD = 1$(直角三角形斜边中线等于斜边一半),且 $DE=1$.
在 $\triangle ADE$ 中,由余弦定理或面积法求 $DM$:
$\cos \angle ADE = \frac{AD}{PD} = \frac{\sqrt{3}}{2}$,即 $\angle ADE = 30^{\circ}$.
在 Rt$\triangle DME$ 中(注意:此处需确认 $\triangle DME$ 是否为直角三角形,或者直接利用 $\triangle ADE$ 的面积):
更简便的方法是利用 $\triangle ADE$ 的面积:
$S_{\triangle ADE} = \frac{1}{2} AD \cdot DE \sin 30^{\circ} = \frac{1}{2} \times \sqrt{3} \times 1 \times \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{4}$.
同时 $S_{\triangle ADE} = \frac{1}{2} AE \cdot DM = \frac{1}{2} \times 1 \times DM$.
所以 $\frac{1}{2} DM = \frac{\sqrt{3}}{4} \Rightarrow DM = \frac{\sqrt{3}}{2}$.

在 Rt$\triangle CDM$ 中,$\tan \angle CMD = \frac{CD}{DM}$,
即 $\tan 60^{\circ} = \frac{CD}{\frac{\sqrt{3}}{2}}$,
解得 $CD = \frac{\sqrt{3}}{2} \times \sqrt{3} = \frac{3}{2}$.

三棱锥 $E-ACD$ 的体积 $V_{E-ACD}$ 可以看作以 $\triangle ACD$ 为底,点 $E$ 到平面 $ACD$ 的距离为高的棱锥体积.
因为 $PA \perp$ 平面 $ABCD$,且 $E$ 为 $PD$ 中点,
所以点 $E$ 到平面 $ABCD$(即平面 $ACD$)的距离 $h = \frac{1}{2} PA = \frac{1}{2}$.
底面 $\triangle ACD$ 的面积 $S_{\triangle ACD} = \frac{1}{2} AD \cdot CD = \frac{1}{2} \times \sqrt{3} \times \frac{3}{2} = \frac{3\sqrt{3}}{4}$.
所以 $V_{E-ACD} = \frac{1}{3} S_{\triangle ACD} \cdot h = \frac{1}{3} \times \frac{3\sqrt{3}}{4} \times \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{8}$.

✅ 来源:2014年 · 全国 · 2014_新课标 II 卷 (2014·理) · 第 18 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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