如图,在三棱台 DEF-ABC 中,AB=2DE,G,H…——2015 高考数学第 17 题答案解析

2015_省自主命题(山东)

2015 山东 第 17 题 解答题 区分题
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17.如图,在三棱台 DEF-ABC 中,AB=2DE,G,H 分别为 AC,BC 的中点。

(Ⅰ)求证:BC//平面 FGH;

(Ⅱ)若 CF⊥平面 ABC,AB⊥BC,CF=DE, $\angle B \mathrm { A C } = 4 5 ^ { \circ }$ ,求平面 FGH与平面ACFD 所成的角(锐角)的大小。

参考答案

(I)详见解析;(II) $6 0 ^ { \circ }$ 解析过程: (I)证法一:连接 设DG CD, . $C D \cap G F = M$ ,连接 ,MH 在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 分别为 的中点,可得AB DE G= 2 , AC $D F / / G C , D F = G C$ ,所以四边形是平行四边形,DFCG 则 为 的中点,又 是 的中点,所以M CD H BC $H M / / B D$ 又 $H M \subset \cdot$ 平面 , 平面 ,所以 平面FGH BD Ë FGH BD/ /$F G H$ 证法二:在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 由 $B C = 2 E F , H$ 为 的中点,BC 可得 $B H / / E F , B H = E F$ 所以 为平行四边形,可得HBEF $B E / / H F$ 在 $\Delta A B C$ 中, 分别为 的中点,G H, AC BC, 所以 $G H / / A B ,$ 又 $G H \cap H F = H$ 所以平面 平面 ,FGH / / ABED 因为 平面 ,BD Ì ABED 所以 平面 .BD / / FGH (Ⅱ)解法一:设 ,则AB = 2 CF =1 在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 为 的中点G AC 由 ${ D F } = \frac { 1 } { 2 } A C = G C$ 可得四边形 为平行四边形,DGCF 因此 $D G / / C F$ 又 平面FC ^ ABC 所以 平面DG ^ ABC 在 中,由 DABC $A B \bot B C , \angle B A C = 4 5 ^ { \circ }$ , 是 中点, G AC 所以 $A B = B C , G B \bot G C$ 因此 $G B , G C , G D$ 两两垂直, 以 为坐 标原点,建立如图所示的空间直角坐标系G$G - x y z$ 所以 $G \big ( 0 , 0 , 0 \big ) , B \Big ( \sqrt { 2 } , 0 , 0 \Big ) , C \Big ( 0 , \sqrt { 2 } , 0 \Big ) , D \big ( 0 , 0 , 1 \big )$ 可得 $H \left( \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , 0 \right) , F \left( 0 , \sqrt { 2 } , 1 \right)$ 故 $\overrightarrow { G H } = \left( \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , 0 \right) , \overrightarrow { G F } = \left( 0 , \sqrt { 2 } , 1 \right)$ 设 $\stackrel { } { n } = ( x , y , z )$ 是平面 的一个法向量,则FGH 由 $\left\{ { \begin{array} { l } { { \vec { n } } \cdot { \overrightarrow { G H } } = 0 , } \\ { { \vec { n } } \cdot { \overrightarrow { G F } } = 0 , } \end{array} } \right.$ 可得 $\displaystyle { \int } \imath + \jmath = 0$ 可得平面 的一个法向量FGH $\stackrel { } { n } = ( 1 , - 1 , { \sqrt { 2 } } )$ 因为 $\overrightarrow { G B }$ 是平面 的一个法向量,ACFD $\overrightarrow { G B } = \left( \sqrt { 2 } , 0 , 0 \right)$ 所以 $\cos < \overrightarrow { G B } , \stackrel { } { n } > = \frac { \overrightarrow { G B } \cdot \stackrel { } { n } } { | \overrightarrow { G B } | \cdot | \stackrel { } { n } | } = \frac { \sqrt { 2 } } { 2 \sqrt { 2 } } = \frac { 1 } { 2 }$ 所以平面与平面所成的解(锐角)的大小为 $6 0 ^ { \circ }$ 解法二: 作 $H M \perp A C$ 于点 ,作 M $M N \perp G F$ 于点 ,连N 接 NH 由 平面 ,得FC ^ ABC $H M \perp F C$ 又 $F C \cap A C = C$ 所以 $H M \perp$ 平面 ACFD 因此 $G F \perp N H$ 所以 $\angle M N H$ 即为所求的角 在 中,DBGC $M H / / B G , M H = \frac { 1 } { 2 } B G = \frac { \sqrt { 2 } } { 2 }$ 由 $\Delta G N M \setminus \Delta G C F$ 可得 ${ \frac { M N } { F C } } { = } { \frac { G M } { G F } }$ 从而 $M N = \frac { \sqrt { 6 } } { 6 }$ ,由MH ^平面ACFD,MN Ì平面ACFD得 $M H \bot M N$ ,所以 $\tan \angle M N H = \frac { H M } { M N } = \sqrt { 3 }$ ,所以 $\angle M H N = 6 0 ^ { \circ }$ 所以平面 $F G H $ 平面ACFD所成角(锐角)的大小为 $6 0 ^ { 0 }$

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【答案】(I)详见解析;(II) $6 0 ^ { \circ }$ 解析过程: (I)证法一:连接 设DG CD, . $C D \cap G F = M$ ,连接 ,MH 在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 分别为 的中点,可得AB DE G= 2 , AC $D F / / G C , D F = G C$ ,所以四边形是平行四边形,DFCG 则 为 的中点,又 是 的中点,所以M CD H BC $H M / / B D$ 又 $H M \subset \cdot$ 平面 , 平面 ,所以 平面FGH BD Ë FGH BD/ /$F G H$ 证法二:在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 由 $B C = 2 E F , H$ 为 的中点,BC 可得 $B H / / E F , B H = E F$ 所以 为平行四边形,可得HBEF $B E / / H F$ 在 $\Delta A B C$ 中, 分别为 的中点,G H, AC BC, 所以 $G H / / A B ,$ 又 $G H \cap H F = H$ 所以平面 平面 ,FGH / / ABED 因为 平面 ,BD Ì ABED 所以 平面 .BD / / FGH (Ⅱ)解法一:设 ,则AB = 2 CF =1 在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 为 的中点G AC 由 ${ D F } = \frac { 1 } { 2 } A C = G C$ 可得四边形 为平行四边形,DGCF 因此 $D G / / C F$ 又 平面FC ^ ABC 所以 平面DG ^ ABC 在 中,由 DABC $A B \bot B C , \angle B A C = 4 5 ^ { \circ }$ , 是 中点, G AC 所以 $A B = B C , G B \bot G C$ 因此 $G B , G C , G D$ 两两垂直, 以 为坐 标原点,建立如图所示的空间直角坐标系G$G - x y z$ 所以 $G \big ( 0 , 0 , 0 \big ) , B \Big ( \sqrt { 2 } , 0 , 0 \Big ) , C \Big ( 0 , \sqrt { 2 } , 0 \Big ) , D \big ( 0 , 0 , 1 \big )$ 可得 $H \left( \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , 0 \right) , F \left( 0 , \sqrt { 2 } , 1 \right)$ 故 $\overrightarrow { G H } = \left( \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , 0 \right) , \overrightarrow { G F } = \left( 0 , \sqrt { 2 } , 1 \right)$ 设 $\stackrel { } { n } = ( x , y , z )$ 是平面 的一个法向量,则FGH 由 $\left\{ { \begin{array} { l } { { \vec { n } } \cdot { \overrightarrow { G H } } = 0 , } \\ { { \vec { n } } \cdot { \overrightarrow { G F } } = 0 , } \end{array} } \right.$ 可得 $\displaystyle { \int } \imath + \jmath = 0$ 可得平面 的一个法向量FGH $\stackrel { } { n } = ( 1 , - 1 , { \sqrt { 2 } } )$ 因为 $\overrightarrow { G B }$ 是平面 的一个法向量,ACFD $\overrightarrow { G B } = \left( \sqrt { 2 } , 0 , 0 \right)$ 所以 $\cos < \overrightarrow { G B } , \stackrel { } { n } > = \frac { \overrightarrow { G B } \cdot \stackrel { } { n } } { | \overrightarrow { G B } | \cdot | \stackrel { } { n } | } = \frac { \sqrt { 2 } } { 2 \sqrt { 2 } } = \frac { 1 } { 2 }$ 所以平面与平面所成的解(锐角)的大小为 $6 0 ^ { \circ }$ 解法二: 作 $H M \perp A C$ 于点 ,作 M $M N \perp G F$ 于点 ,连N 接 NH 由 平面 ,得FC ^ ABC $H M \perp F C$ 又 $F C \cap A C = C$ 所以 $H M \perp$ 平面 ACFD 因此 $G F \perp N H$ 所以 $\angle M N H$ 即为所求的角 在 中,DBGC $M H / / B G , M H = \frac { 1 } { 2 } B G = \frac { \sqrt { 2 } } { 2 }$ 由 $\Delta G N M \setminus \Delta G C F$ 可得 ${ \frac { M N } { F C } } { = } { \frac { G M } { G F } }$ 从而 $M N = \frac { \sqrt { 6 } } { 6 }$ ,由MH ^平面ACFD,MN Ì平面ACFD得 $M H \bot M N$ ,所以 $\tan \angle M N H = \frac { H M } { M N } = \sqrt { 3 }$ ,所以 $\angle M H N = 6 0 ^ { \circ }$ 所以平面 $F G H $ 平面ACFD所成角(锐角)的大小为 $6 0 ^ { 0 }$

【解析】答案:

(I)详见解析;(II) $6 0 ^ { \circ }$

解析过程:

(I)证法一:连接 设DG CD, . $C D \cap G F = M$ ,连接 ,MH

在三棱台 $D E F - A B C$ 中, 分别为 的中点,可得AB DE G= 2 , AC $D F / / G C , D F = G C$ ,所以四边形是平行四边形,DFCG

则 为 的中点,又 是 的中点,所以M CD H BC $H M / / B D$

又 $H M \subset \cdot$ 平面 , 平面 ,所以 平面FGH BD Ë FGH BD/ /$F G H$

证法二:在三棱台 $D E F - A B C$ 中,

由 $B C = 2 E F , H$ 为 的中点,BC

可得 $B H / / E F , B H = E F$

所以 为平行四边形,可得HBEF $B E / / H F$

在 $\Delta A B C$ 中, 分别为 的中点,G H, AC BC,

所以 $G H / / A B ,$ 又 $G H \cap H F = H$

所以平面 平面 ,FGH / / ABED

因为 平面 ,BD Ì ABED

所以 平面 .BD / / FGH

(Ⅱ)解法一:设 ,则AB = 2 CF =1

在三棱台 $D E F - A B C$ 中,

为 的中点G AC

由 ${ D F } = \frac { 1 } { 2 } A C = G C$

可得四边形 为平行四边形,DGCF

因此 $D G / / C F$

又 平面FC ^ ABC

所以 平面DG ^ ABC

在 中,由 DABC $A B \bot B C , \angle B A C = 4 5 ^ { \circ }$ , 是 中点, G AC

所以 $A B = B C , G B \bot G C$

因此 $G B , G C , G D$ 两两垂直,

以 为坐 标原点,建立如图所示的空间直角坐标系G$G - x y z$

所以 $G \big ( 0 , 0 , 0 \big ) , B \Big ( \sqrt { 2 } , 0 , 0 \Big ) , C \Big ( 0 , \sqrt { 2 } , 0 \Big ) , D \big ( 0 , 0 , 1 \big )$

可得 $H \left( \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , 0 \right) , F \left( 0 , \sqrt { 2 } , 1 \right)$

故 $\overrightarrow { G H } = \left( \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , \frac { \sqrt { 2 } } { 2 } , 0 \right) , \overrightarrow { G F } = \left( 0 , \sqrt { 2 } , 1 \right)$

设 $\stackrel { } { n } = ( x , y , z )$ 是平面 的一个法向量,则FGH

由 $\left\{ { \begin{array} { l } { { \vec { n } } \cdot { \overrightarrow { G H } } = 0 , } \\ { { \vec { n } } \cdot { \overrightarrow { G F } } = 0 , } \end{array} } \right.$ 可得 $\displaystyle { \int } \imath + \jmath = 0$

可得平面 的一个法向量FGH $\stackrel { } { n } = ( 1 , - 1 , { \sqrt { 2 } } )$

因为 $\overrightarrow { G B }$ 是平面 的一个法向量,ACFD $\overrightarrow { G B } = \left( \sqrt { 2 } , 0 , 0 \right)$

所以 $\cos < \overrightarrow { G B } , \stackrel { } { n } > = \frac { \overrightarrow { G B } \cdot \stackrel { } { n } } { | \overrightarrow { G B } | \cdot | \stackrel { } { n } | } = \frac { \sqrt { 2 } } { 2 \sqrt { 2 } } = \frac { 1 } { 2 }$

所以平面与平面所成的解(锐角)的大小为 $6 0 ^ { \circ }$

解法二:

作 $H M \perp A C$ 于点 ,作 M $M N \perp G F$ 于点 ,连N

接 NH

由 平面 ,得FC ^ ABC $H M \perp F C$

又 $F C \cap A C = C$

所以 $H M \perp$ 平面 ACFD

因此 $G F \perp N H$

所以 $\angle M N H$ 即为所求的角

在 中,DBGC $M H / / B G , M H = \frac { 1 } { 2 } B G = \frac { \sqrt { 2 } } { 2 }$

由 $\Delta G N M \setminus \Delta G C F$ 可得 ${ \frac { M N } { F C } } { = } { \frac { G M } { G F } }$

从而 $M N = \frac { \sqrt { 6 } } { 6 }$ ,由MH ^平面ACFD,MN Ì平面ACFD得

$M H \bot M N$ ,所以 $\tan \angle M N H = \frac { H M } { M N } = \sqrt { 3 }$ ,所以 $\angle M H N = 6 0 ^ { \circ }$

所以平面 $F G H $ 平面ACFD所成角(锐角)的大小为 $6 0 ^ { 0 }$

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