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2020年高考数学新高考Ⅱ-20

  2021-06-08 21:59:43  

(12分)如图,四棱锥$P-ABCD$的底面为正方形,$PD\bot$底面$ABCD$.设平面$PAD$与平面$PBC$的交线为$l$.

(1)证明:$l\bot$平面$PDC$;
(2)已知$PD=AD=1$,$Q$为$l$上的点,$QB=\sqrt{2}$,求$PB$与平面$QCD$所成角的正弦值.
分析:(1)过$P$在平面$PAD$内作直线$l//AD$,推得$l$为平面$PAD$和平面$PBC$的交线,由线面垂直的判定和性质,即可得证;
(2)以$D$为坐标原点,直线$DA$,$DC$,$DP$所在的直线为$x$,$y$,$z$轴,建立空间直角坐标系$D-xyz$,求出$Q(0$,1,$1)$,运用向量法,求得平面$QCD$的法向量,结合向量的夹角公式求解即可.
解答:(1)证明:过$P$在平面$PAD$内作直线$l//AD$,
由$AD//BC$,可得$l//BC$,即$l$为平面$PAD$和平面$PBC$的交线,
$\because PD\bot$平面$ABCD$,$BC\subset $平面$ABCD$,$\therefore PD\bot BC$,
又$BC\bot CD$,$CD\bigcap PD=D$,$\therefore BC\bot$平面$PCD$,
$\because l//BC$,$\therefore l\bot$平面$PCD$;
(2)解:如图,以$D$为坐标原点,直线$DA$,$DC$,$DP$所在的直线为$x$,$y$,$z$轴,建立空间直角坐标系$D-xyz$,
$\because PD=AD=1$,$Q$为$l$上的点,$QB=\sqrt{2}$,
$\therefore PB=\sqrt{3}$,$QP=1$,

则$D(0$,0,$0)$,$A(1$,0,$0)$,$C(0$,1,$0)$,$P(0$,0,$1)$,$B(1$,1,$0)$,作$PQ//AD$,则$PQ$为平面$PAD$与平面$PBC$的交线为$l$,因为$QB=\sqrt{2}$,$\Delta QAB$是等腰直角三角形,所以$Q(1$,0,$1)$,
则$\overrightarrow{DQ}=(1$,0,$1)$,$\overrightarrow{PB}=(1$,1,$-1)$,$\overrightarrow{DC}=(0$,1,$0)$,
设平面$QCD$的法向量为$\overrightarrow{n}=(a$,$b$,$c)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{DC}=0}\\ {\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{DQ}=0}\end{array}\right.$,$\therefore$$\left\{\begin{array}{l}{b=0}\\ {a+c=0}\end{array}\right.$,取$c=1$,可得$\overrightarrow{n}=(-1$,0,$1)$,
$\therefore \cos <\overrightarrow{n}$,$\overrightarrow{PB}>=\dfrac{\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{PB}}{\vert \overrightarrow{n}\vert \vert \overrightarrow{PB}\vert }=\dfrac{-1-1}{\sqrt{3}\cdot \sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{6}}{3}$,
$\therefore PB$与平面$QCD$所成角的正弦值为$\dfrac{\sqrt{6}}{3}$.
点评:本题考查空间线面垂直的判定,以及线面角的求法,考查转化思想和向量法的运用,考查运算能力和推理能力,属于中档题.

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