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2025年高考数学天津-17

  2026-10-10 17:46:28  

(15分)正方体$ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$的棱长为4,$E$,$F$分别为$A_{1}D_{1}$,$C_{1}B_{1}$中点,$CG=3C_{1}G$.
$(I)$求证:$GF\bot$平面$EBF$;
(Ⅱ)求平面$EBF$与平面$EBG$夹角的余弦值;
(Ⅲ)求三棱锥$D-BEF$的体积.

〖答案〗$(I)$证明见解答;(Ⅱ)$\dfrac{4}{5}$;(Ⅲ)$\dfrac{32}{3}$.
〖分析〗$(I)$建立空间直角坐标系,求平面$EBF$的法向量,通过证明直线的方向向量与平面的法向量平行证明线面垂直;
(Ⅱ)利用空间向量法求平面与平面的夹角的余弦值;
(Ⅲ)先由题意得△$FBE$为直角三角形,求出其面积,然后利用空间向量法求点到平面的距离,最后利用棱锥的体积公式求解即可.
〖解答〗解:$(I)$证明:如图,以$D$为原点,$DA$、$DC$、$DD_{1}$所在直线分别为$x$、$y$、$z$轴建立空间直角坐标系$Dxyz$,

由已知得$D(0$,0,$0)$,$B(4$,4,$0)$,$G(0$,4,$3)$,$E(2$,0,$4)$,$F(2$,4,$4)$,
所以$\overrightarrow{GF}=(2,0,1)$,$\overrightarrow{BE}=(-2$,$-4$,$4)$,$\overrightarrow{EF}=(0,4,0)$,
设平面$BEF$的法向量为$\overrightarrow{n}=(x_{0}$,$y_{0}$,$z_{0})$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{BE}\cdot \overrightarrow{n}=-2{x}_{0}-4{y}_{0}+4{z}_{0}=0}\\ {\overrightarrow{EF}\cdot \overrightarrow{n}=4{y}_{0}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{{x}_{0}+2{y}_{0}-2{z}_{0}=0}\\ {{y}_{0}=0}\end{array}\right.$,
取$z_{0}=1$,则$\overrightarrow{n}=(2,0,1)$,即$\overrightarrow{GF}=\overrightarrow{n}$,
所以$\overrightarrow{GF}//\overrightarrow{n}$,
所以$GF\bot$面$BEF$.
(Ⅱ)由$(I)$得$\overrightarrow{EG}=(-2$,4,$-1)$,
设平面$BEG$的法向量为$\overrightarrow{m}=(x_{1}$,$y_{1}$,$z_{1})$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{BE}\cdot \overrightarrow{m}=-2{x}_{1}-4{y}_{1}+4{z}_{1}=0}\\ {\overrightarrow{EG}\cdot \overrightarrow{m}=-2{x}_{1}+4{y}_{1}-{z}_{1}=0}\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}{4{x}_{1}-3{z}_{1}=0}\\ {8{y}_{1}-5{z}_{1}=0}\end{array}\right.$,
取$z_{1}=1$,则$\overrightarrow{m}=(\dfrac{3}{4}$,$\dfrac{5}{8}$,$1)$,
所以$\cos  <  \overrightarrow{n},\overrightarrow{m} >  =\dfrac{\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{m}}{\vert \overrightarrow{n}\vert \cdot \vert \overrightarrow{m}\vert }=\dfrac{2\times \dfrac{3}{4}+1\times 1}{\sqrt{4+1}\times \sqrt{\dfrac{9}{16}+\dfrac{25}{64}+1}}=\dfrac{4}{5}$,
故平面$EBF$与平面$EBG$夹角的余弦值为$\dfrac{4}{5}$.
(Ⅲ)在正方体$ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}$中,$E$,$F$分别为$A_{1}D_{1}$,$C_{1}B_{1}$中点,
所以$EF\bot$平面$CBB_{1}C_{1}$,
又$FB\subset$平面$CBB_{1}C_{1}$,所以$EF\bot FB$,
在△$FBE$中,因为$EF=4$,$BF=\sqrt{B{{B}_{1}}^{2}+{B}_{1}{F}^{2}}=\sqrt{{4}^{2}+{2}^{2}}=2\sqrt{5}$,$BE=\sqrt{EF^{2}+BF^{2}}=6$,
所以$S_{\triangle BEF}=\dfrac{1}{2}\cdot EF\cdot BF=\dfrac{1}{2}\times 4\times 2\sqrt{5}=4\sqrt{5}$,
又$\overrightarrow{DE}=(2$,0,$4)$,
则点$D$到平面$BEF$的距离为$d=\dfrac{\vert \overrightarrow{DE}\cdot \overrightarrow{n}\vert }{\vert \overrightarrow{n}\vert }=\dfrac{2\times 2+4\times 1}{\sqrt{4+1}}=\dfrac{8\sqrt{5}}{5}$,
所以三棱锥$D-BEF$的体积为$V=\dfrac{1}{3}S_{\triangle BEF}\cdot d=\dfrac{1}{3}\times 4\sqrt{5}\times \dfrac{8\sqrt{5}}{5}=\dfrac{32}{3}$.
〖点评〗本题考查利用空间向量法判断线面垂直和求二面角的余弦值,考查锥体的体积,是中档题.

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