(本小题满分 13 分) 《九章算术》中,将底面为长方形且…——2015 高考数学第 20 题答案解析

2015_退役省自主命题 (2015·文)

2015 ?? 第 20 题 解答题 区分题
2015_退役省自主命题 (2015·文)

20.(本小题满分 13 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鱉臑。

在如图所示的阳马 $P-A B C D$ 中,侧棱 $P D \perp$ 底面 $A B C D$ ,且 $P D=C D$ ,点 $E$ 是 $P C$ 的中点,连接 $D E, B D, B E$ .

(I)证明:$D E \perp$ 平面 $P B C$ .试判断四面体 $E B C D$ 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,请说明理由;
(II)记阳马 $P-A B C D$ 的体积为 $V_{1}$ ,四面体 $E B C D$ 的体积为 $V_{2}$ ,求 $\frac{V_{1}}{V_{2}}$ 的值.

参考答案(I)因为 $P D \perp$ 底面 $A B C D$ ,所以 $P D \perp B C$ 。由底面 $A B C D$ 为长方形,有 $B C \perp C D$ ,而 $P D \cap C D=D$ ,所以 $B C \perp$ 平面 $P C D . D E \subset$ 平面 $P C D$ ,所以 $B C \perp D E$ .又因为 $P D=C D$ ,点 $E$ 是 $P C$ 的中点,所以 $D E \perp P C$ .而 $P C \cap B C=C$ ,所以 $D E \perp$ 平面 $P B C$ .四面体 $E B C D$ 是一个鳖臑;(II)$\frac{V_{1}}{V_{2}}=4$ .

完整解析 · 逐步详解

【答案】(I)因为 $P D \perp$ 底面 $A B C D$ ,所以 $P D \perp B C$ 。由底面 $A B C D$ 为长方形,有 $B C \perp C D$ ,而 $P D \cap C D=D$ ,所以 $B C \perp$ 平面 $P C D . D E \subset$ 平面 $P C D$ ,所以 $B C \perp D E$ .又因为 $P D=C D$ ,点 $E$ 是 $P C$ 的中点,所以 $D E \perp P C$ .而 $P C \cap B C=C$ ,所以 $D E \perp$ 平面 $P B C$ .四面体 $E B C D$ 是一个鳖臑;(II)$\frac{V_{1}}{V_{2}}=4$ .

【解析】(I)因为 $P D \perp$ 底面 $A B C D$ ,所以 $P D \perp B C$ .由底面 $A B C D$ 为长方形,有 $B C \perp C D$ ,而 $P D \cap C D=D$ ,所以 $B C \perp$ 平面 $P C D . D E \subset$ 平面 $P C D$ ,所以 $B C \perp D E$ .又因为 $P D=C D$ ,点 $E$ 是 $P C$ 的中点,所以 $D E \perp P C$ .而 $P C \cap B C=C$ ,所以 $D E \perp$ 平面 $P B C$ .由 $B C \perp$ 平面 $P C D, D E \perp$ 平面 $P B C$ ,可知四面体 $E B C D$ 的四个面都是直角三角形,即四面体 $E B C D$ 是一个鳖臑,其四个面的直角分别是 $\angle B C D, \angle B C E, \angle D E C, \angle D E B$ .
(II)由已知,$P D$ 是阳马 $P-A B C D$ 的高,所以 $V_{1}=\frac{1}{3} S_{A B C D} \cdot P D=\frac{1}{3} B C \cdot C D \cdot P D$ ;由(I)知,$D E$ 是鳖臑 $D-B C E$ 的高,$B C \perp C E$ ,所以 $V_{2}=\frac{1}{3} S_{\triangle B C E} \cdot D E=\frac{1}{6} B C \cdot C E \cdot D E$ .在 Rt $\triangle P D C$ 中,因为 $P D=C D$ ,点 $E$ 是 $P C$ 的中点,所以 $D E=C E=\frac{\sqrt{2}}{2} C D$ ,于是 $\frac{V_{1}}{V_{2}}=\frac{\frac{1}{3} B C \cdot C D \cdot P D}{\frac{1}{6} B C \cdot C E \cdot D E}=\frac{2 C D \cdot P D}{C E \cdot D E}=4$ .
【考点定位】本题考查直线与平面垂直的判定定理、直线与平面垂直的性质定理和简单几何体的体积,属中高档题。

【名师点睛】以《九章算术》为背景,给予新定义,增添了试题的新颖性,但其实质仍然是考查线面垂直与简单几何体的体积计算,其解题思路:第一问通过线线、线面垂直相互之间的转化进行证明,第二问关键注意底面积和高之比,运用锥体的体积计算公式进行求解。结合数学史料的给予新定义,不仅考查学生解题能力,也增强对数学的兴趣培养,为空间立体几何注入了新的活力。

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