(15分)(2016•浙江)如图,在三棱台 ABC - D…——2016 高考数学第 18 题答案解析

2016_浙江卷 (2016·文)

2016 浙江 第 18 题 解答题 区分题
2016_浙江卷 (2016·文)

18.(15分)(2016•浙江)如图,在三棱台 $\mathrm{ABC}-\mathrm{DEF}$ 中,平面 $\mathrm{BCFE} \perp$ 平面 ABC , $\angle \mathrm{ACB}=90^{\circ}, \mathrm{BE}=\mathrm{EF}=\mathrm{FC}=1, \mathrm{BC}=2, \mathrm{AC}=3$ .
(I)求证: $\mathrm{BF} \perp$ 平面 ACFD ;
(II)求直线 BD 与平面 ACFD 所成角的余弦值。

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【分析】(I)根据三棱台的定义,可知分别延长 $\mathrm{AD}, \mathrm{BE}, \mathrm{CF}$ ,会交于一点,并设该点为 K ,并且可以由平面 $B C F E \perp$ 平面 $A B C$ 及 $\angle A C B=90^{\circ}$ 可以得出 $A C \perp$ 平面 $B C K$ ,进而得出 $B F \perp A C$ .而根据条件可以判断出点 $E$ ,$F$ 分别为边 $B K$ ,$C K$ 的中点,从而得出 $\triangle B C K$ 为等边三角形,进而得出 $\mathrm{BF} \perp \mathrm{CK}$ ,从而根据线面垂直的判定定理即可得出 $\mathrm{BF} \perp$ 平面 ACFD ;
(II)由 $\mathrm{BF} \perp$ 平面 ACFD 便可得出 $\angle \mathrm{BDF}$ 为直线 BD 和平面 ACFD 所成的角,根据条件可以求出 $\mathrm{BF}=\sqrt{3}, ~ \mathrm{DF}=\frac{3}{2}$ ,从而在 Rt $\triangle \mathrm{BDF}$ 中可以求出 BD 的值,从而得出 $\cos \angle \mathrm{BDF}$ 的值,即得出直线 BD 和平面 ACFD 所成角的余弦值。
【解答】解:( I )证明:延长 $\mathrm{AD}, \mathrm{BE}, \mathrm{CF}$ 相交于一点 K ,如图所示:
∵ 平面 $\mathrm{BCFE} \perp$ 平面 ABC ,且 $\mathrm{AC} \perp \mathrm{BC}$ ;
$\therefore \mathrm{AC} \perp$ 平面 $\mathrm{BCK}, ~ \mathrm{BFC}$ 平面 BCK ;
$\therefore \mathrm{BF} \perp \mathrm{AC}$ ;
又 $\mathrm{EF} / / \mathrm{BC}, \mathrm{BE}=\mathrm{EF}=\mathrm{FC}=1, \mathrm{BC}=2$ ;
$\therefore \triangle \mathrm{BCK}$ 为等边三角形,且 F 为 CK 的中点;
$\therefore \mathrm{BF} \perp \mathrm{CK}$ ,且 $\mathrm{AC} \cap \mathrm{CK}=\mathrm{C}$ ;
$\therefore \mathrm{BF} \perp$ 平面 ACFD ;
(II)$\because \mathrm{BF} \perp$ 平面 ACFD ;
$\therefore \angle \mathrm{BDF}$ 是直线 BD 和平面 ACFD 所成的角;
$\because \mathrm{F}$ 为 CK 中点,且 $\mathrm{DF} / / \mathrm{AC}$ ;
$\therefore \mathrm{DF}$ 为 $\triangle \mathrm{ACK}$ 的中位线,且 $\mathrm{AC}=3$ ;
$\therefore \mathrm{DF}=\frac{3}{2}$ ;
又 $\mathrm{BF}=\sqrt{3}$ ;
∴ 在 Rt $\triangle \mathrm{BFD}$ 中, $\mathrm{BD}=\sqrt{3+\frac{9}{4}}=\frac{\sqrt{21}}{2}, \cos \angle \mathrm{BDF}=\frac{\mathrm{DF}}{\mathrm{BD}}=\frac{\frac{3}{2}}{\frac{\sqrt{21}}{2}}=\frac{\sqrt{21}}{7}$ ;
即直线 BD 和平面 ACFD 所成角的余弦值为 $\frac{\sqrt{21}}{7}$ .

【点评】考查三角形中位线的性质,等边三角形的中线也是高线,面面垂直的性质定理,以及线面垂直的判定定理,线面角的定义及求法,直角三角形边的关系,三角函数的定义。

✅ 来源:2016年 · 浙江 · 2016_浙江卷 (2016·文) · 第 18 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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