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2025年高考数学上海春-17

  2026-10-10 17:46:28  

(14分)在三棱锥$P-ABC$中,平面$PAC\bot$平面$ABC$,$PA=AC=CP=2$,$AB=BC=\sqrt{2}$.
(1)若$O$是棱$AC$的中点,证明:$BO\bot$平面$PAC$,并求三棱锥$B-OPA$的体积;
(2)求二面角$B-PC-A$的大小.

〖答案〗(1)证明过程见解析,体积为$\dfrac{\sqrt{3}}{6}$;(2)$\arccos \dfrac{\sqrt{21}}{7}$.
〖分析〗(1)作出辅助线,得到线线垂直,根据面面垂直,得到线面垂直,并利用锥体体积公式求出答案;
(2)证明出$OB$,$OC$,$OP$两两垂直,建立空间直角坐标系,求出两个平面的法向量,利用向量法求出二面角$B-PC-A$的大小.
〖解答〗解:(1)

证明:连接$BO$,因为$AB=BC=\sqrt{2}$,所以$BO\bot AC$,
因为平面$PAC\bot$平面$ABC$,交线为$AC$,
$BO\subset$平面$ABC$,
所以$BO\bot$平面$PAC$,
因为$PA=AC=CP=2$,所以$PO\bot AC$,$AO=1$,$PO=\sqrt{A{P}^{2}-A{O}^{2}}=\sqrt{3}$,
故${S}_{\triangle OPA}=\dfrac{1}{2}OP\cdot AO=\dfrac{1}{2}\times \sqrt{3}\times 1=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$,
$AB=\sqrt{2}$,由勾股定理得$BO=\sqrt{A{B}^{2}-A{O}^{2}}=\sqrt{2-1}=1$,
又$BO\bot$平面$PAC$,
三棱锥$B-OPA$的体积$V=\dfrac{1}{3}{S}_{\triangle OPA}\cdot BO=\dfrac{1}{3}\times \dfrac{\sqrt{3}}{2}\times 1=\dfrac{\sqrt{3}}{6}$;

(2)由(1)知,$BO\bot$平面$PAC$,$OC$,$OP\subset$平面$PAC$,
所以$BO\bot OC$,$BO\bot OP$,又$PO\bot AC$,故$OB$,$OC$,$OP$两两垂直,
以$O$为坐标原点,$OB$,$OC$,$OP$所在直线分别为$x$,$y$,$z$轴,建立空间直角坐标系,

则$B(1,0,0),P(0,0,\sqrt{3}),C(0,1,0),A(0,-1,0)$,
$\overrightarrow{BP}=(-1,0,\sqrt{3}),\overrightarrow{PC}=(0,1,-\sqrt{3})$,
设平面$BPC$的一个法向量为$\overrightarrow{m}=(x,y,z)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{m}\bot \overrightarrow{BP}}\\ {\overrightarrow{m}\bot \overrightarrow{PC}}\end{array}\right.$,则$\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow{m}\cdot \overrightarrow{BP}=(x,y,z)\cdot (-1,0,\sqrt{3})=-x+\sqrt{3}z=0\\  \overrightarrow{m}\cdot \overrightarrow{PC}=(x,y,z)\cdot (0,1,-\sqrt{3})=y-\sqrt{3}z=0\end{array}\right.$,
令$z=1$得$x=y=\sqrt{3}$,故$\overrightarrow{m}=(\sqrt{3},\sqrt{3},1)$,
又平面$PCA$的一个法向量为$\overrightarrow{n}=(1,0,0)$,
故$\cos  <  \overrightarrow{m},\overrightarrow{n} >  =\dfrac{\overrightarrow{m}\cdot \overrightarrow{n}}{\vert \overrightarrow{m}\vert \cdot \vert \overrightarrow{n}\vert }=\dfrac{(\sqrt{3},\sqrt{3},1)\cdot (1,0,0)}{\sqrt{3+3+1}}=\dfrac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}}=\dfrac{\sqrt{21}}{7}$,
由图可知,二面角$B-PC-A$为锐角,
故二面角$B-PC-A$的大小为$\arccos \dfrac{\sqrt{21}}{7}$.
〖点评〗本题考查三棱锥的体积计算,以及向量法的应用,属于中档题.

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