(本小题满分 12 分) 《九章算术》中,将底面为长方形且…——2015 高考数学第 19 题答案解析

2015_退役省自主命题 (2015·理)

2015 全国 第 19 题 解答题 区分题
2015_退役省自主命题 (2015·理)

19.(本小题满分 12 分)
《九章算术》中,将底面为长方形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥称之为阳马,将四个面都为直角三角形的四面体称之为鳖臑。
如图,在阳马 $P-A B C D$ 中,侧棱 $P D \perp$ 底面 $A B C D$ ,且 $P D=C D$ ,过棱 $P C$ 的中点 $E$ ,作 $E F \perp P B$ 交 $P B$于点 $F$ ,连接 $D E, D F, B D, B E$ .
(I)证明:$P B \perp$ 平面 $D E F$ 。试判断四面体 $D B E F$ 是否为鳖臑,若是,写出其每个面的直角(只需写出结论);若不是,说明理由;
(II)若面 $D E F$ 与面 $A B C D$ 所成二面角的大小为 $\frac{\pi}{3}$ ,求 $\frac{D C}{B C}$ 的值.

参考答案

(I )详见解析;(II)$\frac{\sqrt{2}}{2}$ .

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(I)因为 $PD \perp$ 底面 $ABCD$,且 $BC \subset$ 底面 $ABCD$,所以 $PD \perp BC$。
又因为底面 $ABCD$ 为长方形,所以 $BC \perp CD$。
因为 $PD \cap CD = D$,且 $PD, CD \subset$ 平面 $PCD$,所以 $BC \perp$ 平面 $PCD$。
因为 $DE \subset$ 平面 $PCD$,所以 $BC \perp DE$。

在 $\triangle PDC$ 中,因为 $PD=CD$,且 $E$ 为 $PC$ 的中点,所以 $DE \perp PC$。
因为 $PC \cap BC = C$,且 $PC, BC \subset$ 平面 $PBC$,所以 $DE \perp$ 平面 $PBC$。
因为 $PB \subset$ 平面 $PBC$,所以 $DE \perp PB$。

已知 $EF \perp PB$,且 $DE \cap EF = E$, $DE, EF \subset$ 平面 $DEF$,
所以 $PB \perp$ 平面 $DEF$。

由上述推导可知:
1. 因为 $DE \perp$ 平面 $PBC$,且 $BE, EF \subset$ 平面 $PBC$,所以 $DE \perp BE$,$DE \perp EF$。即 $\angle DEB = 90^\circ$,$\angle DEF = 90^\circ$。
2. 因为 $PB \perp$ 平面 $DEF$,且 $EF, DF \subset$ 平面 $DEF$,所以 $PB \perp EF$,$PB \perp DF$。即 $\angle EFB = 90^\circ$,$\angle DFB = 90^\circ$。
综上,四面体 $DBEF$ 的四个面均为直角三角形,故其为鳖臑。
其四个面的直角分别为:$\angle DEB, \angle DEF, \angle EFB, \angle DFB$。

(II)以 $D$ 为原点,分别以射线 $DA, DC, DP$ 的方向为 $x, y, z$ 轴的正方向建立空间直角坐标系。
设 $PD=CD=1$,$BC=\lambda (\lambda > 0)$,则 $D(0,0,0)$,$P(0,0,1)$,$C(0,1,0)$,$B(\lambda, 1, 0)$。
由此可得 $\overrightarrow{DP} = (0,0,1)$,$\overrightarrow{BP} = (-\lambda, -1, 1)$。

因为 $PD \perp$ 平面 $ABCD$,所以平面 $ABCD$ 的一个法向量为 $\vec{n_1} = \overrightarrow{DP} = (0,0,1)$。
由(I)知 $PB \perp$ 平面 $DEF$,所以平面 $DEF$ 的一个法向量为 $\vec{n_2} = \overrightarrow{BP} = (-\lambda, -1, 1)$。

设平面 $DEF$ 与平面 $ABCD$ 所成二面角的大小为 $\theta$,则 $\theta = \frac{\pi}{3}$。
由向量夹角公式可得:
$$ |\cos \theta| = \frac{|\vec{n_1} \cdot \vec{n_2}|}{|\vec{n_1}| |\vec{n_2}|} $$
代入数据得:
$$ \cos \frac{\pi}{3} = \frac{|0 \times (-\lambda) + 0 \times (-1) + 1 \times 1|}{\sqrt{0^2+0^2+1^2} \cdot \sqrt{(-\lambda)^2 + (-1)^2 + 1^2}} $$
$$ \frac{1}{2} = \frac{1}{1 \cdot \sqrt{\lambda^2 + 2}} $$
解得 $\sqrt{\lambda^2 + 2} = 2$,即 $\lambda^2 + 2 = 4$,所以 $\lambda^2 = 2$。
因为 $\lambda > 0$,所以 $\lambda = \sqrt{2}$。

此时 $DC=1$,$BC=\sqrt{2}$,
所以 $\frac{DC}{BC} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}$。

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