(本小题满分13分) 如图, AD BC∥ 且AD=2BC…——2018 高考数学第 17 题答案解析

2018_天津卷

2018 天津 第 17 题 解答题 区分题
2018_天津卷

17)(本小题满分13分)

如图, AD BC∥ 且AD=2BC, AD CD^ ,EG AD∥ 且EG=AD,CD FG∥ 且CD=2FG,

DG ABCD^ 平面 ,DA=DC=DG=2.

(I)若M为CF的中点,N为EG的中点,求证:MN CDE∥平面 ;

(II)求二面角E BC F- - 的正弦值;

(III)若点P在线段DG上,且直线 $B P ^ { \perp }$ 与平面ADGE所成的角为 $1 6 0 ^ { \circ }$ ,求线段DP的长.

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【解答】
本小题主要考查直线与平面平行、二面角、直线与平面所成的角等基础知识.考查用空间向量解决立体几何问题的方法.考查空间想象能力、运算求解能力和推理论证能力.满分13分

依题意,可以建立以D为原点,分别以<sub>DA</sub>,DC,DG 的方向为x轴,y轴,z轴的正方向的空间直角坐标系(如图),可得D(0,0,0),A(2,0,0),B(1,2,0),C(0,2,0),E(2,0,2),F(0,1,2),G(0,0,2), $M \ ( 0 , \ { \frac { 3 } { 2 } } \ , \ 1 )$ ,N(1,0,2)

(Ⅰ)证明:依题意 $\overrightarrow { D C } = \left( 0 , \ 2 , \ 0 \right)$ $\overrightarrow { D E } = \left( 2 , \ 0 , \ 2 \right)$ .设 $\scriptstyle { \pmb { n } } _ { 0 } = ( x , y , z )$ 为平面CDE的法向量,则$\left\{ \begin{array} { l l } { \pmb { n } _ { 0 } \cdot \overrightarrow { D C } = 0 , } \\ { \pmb { n } _ { 0 } \cdot \overrightarrow { D E } = 0 , } \end{array} \right.$ 即 $\left\{ \begin{array} { l l } { { 2 y = 0 , } } \\ { { 2 x + 2 z = 0 } } \end{array} \right.$ 不妨令 $\scriptstyle \mathbf { Z } = - 1$ ,可得 ${ \pmb n } _ { 0 } { = \ ( 1 , \ 0 , \ - 1 ) }$ .又 $\overrightarrow { M N } = ~ ( 1 , ~ - \frac { 3 } { 2 } , ~ 1 )$ ,可得${ \overrightarrow { M N } } \cdot n _ { \mathrm { 0 } } = 0$ ,又因为直线MNË平面CDE,所以MN<sub>∥</sub>平面CDE

(Ⅱ)解:依题意,可得 $\overrightarrow { B C } = \ ( - 1 , \ 0 , \ 0 )$ $\overrightarrow { B E } = ( 1 , - 2 , 2 )$ $\overrightarrow { C F } = \ ( 0 , \ - 1 , \ 2 )$

设 $\mathbf { \xi } \cdot \mathbf { \xi } _ { n } = \mathbf { \xi } ( x , \ y , \ z )$ 为平面BCE的法向量,则 $\left\{ { \pmb n } \cdot \overrightarrow { B C } = 0 , \right.$

$$ \left\{ { \begin{array} { l } { - x = 0 , } \\ { x - 2 y + 2 z = 0 , } \end{array} } \right. $$

不妨令z=1,可得 $\mathbf { \sigma } \cdot \mathbf { \sigma } \mathbf { n } = \mathbf { \sigma } ( 0 , \ 1 , \ \mathbf { \sigma } 1 )$

设 $\mathbf { \chi } _ { } ^ { } \mathbf { \cdot } \mathbf { \chi } _ { } ^ { m = } \mathbf { \chi } ( x , \ \mathbf { \chi } _ { } \mathbf { \ } _ { } y , \mathbf { \ } { z } )$ 为平面BCF的法向量,则 $\left\{ \begin{array} { l } { { \pmb { m } } \cdot { \overrightarrow { B C } } = 0 , } \\ { { \pmb { m } } \cdot { \overrightarrow { B F } } = 0 , } \end{array} \right.$

即 $\left\{ { \begin{array} { l } { - x = 0 , } \\ { - y + 2 z = 0 , } \end{array} } \right.$

不妨令z=1,可得m=(0,2,1)

因此有cos<m, $\pmb { n } > = \frac { \pmb { m } \cdot \pmb { n } } { \lvert \pmb { m } \rvert \rvert \pmb { n } \rvert } = \frac { 3 \sqrt { 1 0 } } { 1 0 }$ ,于是sin<m, $\scriptstyle n > = { \frac { \sqrt { 1 0 } } { 1 0 } }$

所以,二面角 $E { - } B C { - } F$ 的正弦值为 $\frac { \sqrt { 1 0 } } { 1 0 }$

(Ⅲ)解:设线段DP的长为h $( h \in ~ [ 0 , ~ 2 ] ~ )$ ,则点P的坐标为(0,0,h),可得 $\overrightarrow { B P } = ( - 1 , - 2 , h )$

易知, $\overrightarrow { D C } = \left( 0 , \ 2 , \ 0 \right)$ 为平面ADGE的一个法向量,故

$$ \Big \vert \cos < \overrightarrow { B P } \cdot \overrightarrow { D C } > \Big \vert = \frac { \Big \vert \overrightarrow { B P } \cdot \overrightarrow { D C } \Big \vert } { \Big \vert \overrightarrow { B P } \Big \vert \Big \vert \overrightarrow { D C } \Big \vert } = \frac { 2 } { \sqrt { h ^ { 2 } + 5 } } , $$

由题意,可得 $\frac { 2 } { \sqrt { h ^ { 2 } + 5 } } = \mathrm { s i n } 6 0 ^ { \circ } = \frac { \sqrt { 3 } } { 2 }$ ,解得 $\scriptstyle \mathtt { \mathtt { \mathtt { \mathtt { h } } = \frac { \sqrt { 3 } } { 3 } \in \ [ 0 , \ 2 ] } }$

所以线段DP的长为 $\frac { \sqrt { 3 } } { 3 }$

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