如图,已知三棱柱ABC– A _ 1 B _ 1 C _…——2020 高考数学第 20 题答案解析

2020_新课标II卷

2020 全国 第 20 题 解答题 区分题
2020_新课标II卷

20.如图,已知三棱柱ABC–

$A _ { 1 } B _ { 1 } C _ { 1 }$ 的底面是正三角形,侧面 $B B _ { 1 } C _ { 1 } C$ 是矩形,M,N分别为BC, $B _ { 1 } C _ { 1 }$ 的中点,P为AM上一点.过 $B _ { 1 } C _ { 1 }$ 和P的平面交AB于E,交AC于F

(1)证明: $A A _ { 1 } / / M N$ ,且平面 $A _ { 1 } A M N \bot$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F _ { : }$

(2)设O为 $\triangle A _ { 1 } B _ { 1 } C _ { 1 }$ 的中心,若 $A O { = } A B { = } 6$ ,AO//平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F _ { : }$ ,且 $\angle M P N = \frac { \pi } { 3 }$ ,求四棱锥B–$E B _ { 1 } C _ { 1 } F$ 的体积

参考答案

(1) 证明见解析; (2) 24

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【答案】(1)证明见解析;(2)24.

【解析】

【分析】

> ①由M N, 分别为BC, $B _ { 1 } C _ { 1 }$ 的中点, $M N / / C C _ { 1 }$ ,根据条件可得 $A A _ { 1 } / / B B _ { 1 }$ ,可证MN AA<sub>1</sub>// ,要证平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$ ^平面 $A _ { 1 } A M N$ ,只需证明 $E F \perp$ 平面 A AMN<sub>1</sub> 即可;

(2)根据已知条件求得 $S _ { \underline { { \mathbb { I } } } \underline { { \mathbb { I } } } \mathrm { i } \underline { { \hbar } } \mathcal { H } \xi E B _ { 1 } C _ { 1 } F }$ 和M 到PN的距离,根据椎体体积公式,即可求得$V _ { B - E B _ { 1 } C _ { 1 } F }$

【详解】①QM N, 分别为BC, $B _ { 1 } C _ { 1 }$ 的中点,

$$ \therefore M N / / B B , $$

又 $A A _ { 1 } / / B B _ { 1 }$

$$ \therefore M N / / A A _ { 1 } $$

在等边 $\triangle A B C$ 中, M 为 BC中点,则 $B C \bot A M$

又Q侧面 $B B _ { 1 } C _ { 1 } C$ 为矩形,

$$ \therefore B C \bot B B _ { 1 } $$

$$ \because M N / / B B _ { 1 } $$

$$ M N \perp B C $$

由 $M N \cap A M = M$ $M N , A M \subset$ 平面 $A _ { 1 } A M N$

$\therefore B C \bot$ 平面 $A _ { 1 } A M N$

又Q $B _ { 1 } C _ { 1 } / / B C$ ,且 $B _ { 1 } C _ { 1 }$ Ë平面 ABC , $B C \subset$ 平面 ABC ,

$\therefore B _ { 1 } C _ { 1 } / /$ 平面 ABC

又Q $B _ { 1 } C _ { 1 } \subset$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$ ,且平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F \cap$ 平面 $A B C = E F$

$$ \therefore B _ { 1 } C _ { 1 } / / E F $$

$$ \therefore E F / / B C $$

又Q $B C \perp$ 平面 $A _ { 1 } A M N$

$\therefore E F \bot$ 平面 $A _ { 1 } A M N$

$\because E F \subset$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$

$\therefore$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F \perp$ 平面 $A _ { 1 } A M N$

(2)过M 作PN垂线,交点为H,

画出图形,如图

$\because A O / /$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$

$A O \subset$ 平面 $A _ { 1 } A M N$ ,平面 $A _ { 1 } A M N \cap$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F = N P$

$$ \therefore A O / / N P $$

又 $\because N O / / A P$

\ AO NP= = 6

$\because O$ 为 $\triangle A _ { 1 } B _ { 1 } C _ { 1 }$ 的中心.

$$ \therefore O N = { \frac { 1 } { 3 } } A _ { 1 } C _ { 1 } \sin 6 0 ^ { \circ } = { \frac { 1 } { 3 } } \times 6 \times \sin 6 0 ^ { \circ } = { \sqrt { 3 } } $$

故: $O N = A P = \sqrt { 3 }$ ,则 $A M = 3 A P = 3 { \sqrt { 3 } }$

$\because$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F \bot$ 平面 $A _ { 1 } A M N$ ,平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F \cap$ 平面 $A _ { 1 } A M N = N P$

$M H \subset \overline { { \Psi } }$ 面 $A _ { 1 } A M N$

$\therefore M H \bot$ 平面 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$

又Q在等边 $\triangle A B C$ 中 ${ \frac { E F } { B C } } { = } { \frac { A P } { A M } }$

即 $E F = { \frac { A P \cdot B C } { A M } } = { \frac { { \sqrt { 3 } } \times 6 } { 3 { \sqrt { 3 } } } } = 2$

由①知,四边形 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$ 为梯形

$\therefore$ 四边形 $E B _ { 1 } C _ { 1 } F$ 的面积为: $S _ { \perp \parallel \dot { 2 } \dot { \mathcal { H } } E B _ { 1 } C _ { 1 } F } = \frac { E F + B _ { 1 } C _ { 1 } } { 2 } \cdot N P = \frac { 2 + 6 } { 2 } \times 6 = 2 4$

$$ \therefore V _ { _ { B - E B _ { 1 } C _ { 1 } F } } = { \frac { 1 } { 3 } } S _ { _ { \perp \perp \perp \perp \perp \perp \perp E B _ { 1 } C _ { 1 } F } } \cdot h $$

h为M 到PN的距离 $M H = 2 { \sqrt { 3 } } \cdot \sin 6 0 ^ { \circ } = 3$

$$ \therefore V = \frac { 1 } { 3 } \times 2 4 \times 3 = 2 4 . $$

【点睛】本题主要考查了证明线线平行和面面垂直,及其求四棱锥的体积,解题关键是掌握面面垂直转为求证线面垂直的证法和棱锥的体积公式,考查了分析能力和空间想象能力,属于中档题.

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