(本小题满分 12 分) 如图, A B C 和 B C…——2014 高考数学第 18 题答案解析

2014_退役省自主命题 (2014·文)

2014 National Question 18 Free-response Differentiating
2014_退役省自主命题 (2014·文)

19.(本小题满分 12 分)
如图,$\triangle A B C$ 和 $\triangle B C D$ 所在平面互相垂直,且 $A B=B C=B D=2, \angle A B C=\angle D B C=120^{\circ}$ , $\mathrm{E} , \mathrm{~F} , \mathrm{G}$分别为 $\mathrm{AC} , \mathrm{DC} , \mathrm{AD}$ 的中点.
(I)求证:$E F \perp$ 平面 BCG ;
(II)求三棱锥 D-BCG 的体积.

附:椎体的体积公式 $V=\frac{1}{3} S h$ ,其中 S 为底面面积, h 为高.

Answer key

(I )详见解析;(II)$\frac{1}{2}$

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(I)证明:
在 $\triangle ABC$ 和 $\triangle DBC$ 中,
因为 $AB=BD=2, BC=BC, \angle ABC=\angle DBC=120^{\circ}$,
所以 $\triangle ABC \cong \triangle DBC$,故 $AC=DC$.
因为 $G$ 为 $AD$ 的中点,所以在等腰 $\triangle ADC$ 中,$CG \perp AD$.
同理,在 $\triangle ABD$ 中,由 $AB=BD$ 且 $G$ 为 $AD$ 中点,可得 $BG \perp AD$.
因为 $CG \cap BG = G$,且 $CG, BG \subset$ 平面 $BCG$,
所以 $AD \perp$ 平面 $BCG$.
又因为 $E, F$ 分别为 $AC, DC$ 的中点,所以 $EF$ 为 $\triangle ACD$ 的中位线,即 $EF // AD$.
所以 $EF \perp$ 平面 $BCG$.

(II)解:
过点 $A$ 作 $AO \perp BC$,交 $CB$ 的延长线于点 $O$.
因为平面 $ABC \perp$ 平面 $BCD$,平面 $ABC \cap$ 平面 $BCD = BC$,且 $AO \subset$ 平面 $ABC$,
所以 $AO \perp$ 平面 $BCD$.
在 Rt$\triangle ABO$ 中,$\angle ABO = 180^{\circ} - \angle ABC = 60^{\circ}$,$AB=2$,
所以 $AO = AB \sin 60^{\circ} = 2 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \sqrt{3}$.
因为 $G$ 为 $AD$ 的中点,所以点 $G$ 到平面 $BCD$ 的距离 $h$ 等于点 $A$ 到平面 $BCD$ 距离的一半,
即 $h = \frac{1}{2} AO = \frac{\sqrt{3}}{2}$.
在 $\triangle BCD$ 中,$BC=BD=2, \angle DBC=120^{\circ}$,
所以 $S_{\triangle BCD} = \frac{1}{2} BC \cdot BD \sin 120^{\circ} = \frac{1}{2} \times 2 \times 2 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \sqrt{3}$.
故三棱锥 $D-BCG$ 的体积:
$V_{D-BCG} = V_{G-BCD} = \frac{1}{3} S_{\triangle BCD} \cdot h = \frac{1}{3} \times \sqrt{3} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{1}{2}$.

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