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2026年高考数学新高考Ⅱ-16

  2026-10-10 17:46:24  

(15分)如图,三棱锥$A-BCD$中,点$E$在$BD$上,$AE\bot CE$,$AE\bot DE$,$CD\bot AD$.
(1)证明:$CD\bot AB$;
(2)若$DE=2$,$BE=1$,$AE=\sqrt{2}$,$CD=2\sqrt{3}$,求直线$AD$与平面$ABC$所成角的正弦值.

〖答案〗(1)因为$AE\bot CE$,$AE\bot DE$,$CE\bigcap DE=E$,$CE$,$DE\subset$平面$BCD$,
所以$AE\bot$平面$BCD$,
因为$CD\subset$平面$BCD$,所以$AE\bot CD$,
因为$CD\bot AD$,且$AD\bigcap AE=A$,$AD$,$AE\subset$平面$ABD$,
所以$CD\bot$平面$ABD$,
因为$AB\subset$平面$ABD$,所以$CD\bot AB$;
(2)$\dfrac{\sqrt{6}}{3}$.
〖分析〗(1)先由线面垂直的判定定理证明$AE\bot$平面$BCD$,$CD\bot$平面$ABD$,结合线面垂直的定义即可证明;
(2)建立空间直角坐标系,求出$AD$的方向向量和平面$ABC$的法向量,再由向量的夹角公式即可求得.
〖解答〗解:(1)证明:因为$AE\bot CE$,$AE\bot DE$,$CE\bigcap DE=E$,$CE$,$DE\subset$平面$BCD$,
所以$AE\bot$平面$BCD$,
因为$CD\subset$平面$BCD$,所以$AE\bot CD$,
因为$CD\bot AD$,且$AD\bigcap AE=A$,$AD$,$AE\subset$平面$ABD$,
所以$CD\bot$平面$ABD$,
因为$AB\subset$平面$ABD$,所以$CD\bot AB$;
(2)由(1)知,$CD\bot$平面$ABD$,
因为$BD\subset$平面$ABD$,所以$CD\bot BD$,
所以$EA$,$ED$,$CD$两两互相垂直,
在$BC$上取点$F$,使得$BF=\dfrac{1}{3}BC$,
因为$DE=2$,$BE=1$,所以$BE=\dfrac{1}{3}BD$,
所以$EF//CD$,所以$EA$,$ED$,$EF$两两互相垂直,
则以$EF$,$ED$,$EA$所在直线分别为$x$,$y$,$z$轴建立空间直角坐标系,如图:

则$A(0$,0,$\sqrt{2})$,$B(0$,$-1$,$0)$,$D(0$,2,$0)$,$C(2\sqrt{3}$,2,$0)$,
所以$\overrightarrow{AD}=(0,2,-\sqrt{2})$,$\overrightarrow{AB}=(0,-1,-\sqrt{2})$,$\overrightarrow{AC}=(2\sqrt{3},2,-\sqrt{2})$,
设平面$ABC$的法向量为$\overrightarrow{n}=(x$,$y$,$z)$,
则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{AB}=-y-\sqrt{2}z=0}\\ {\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{AC}=2\sqrt{3}x+2y-\sqrt{2}z=0}\end{array}\right.$,令$y=\sqrt{2}$,则$z=-1$,$x=-\dfrac{\sqrt{6}}{2}$,所以$\overrightarrow{n}=(-\dfrac{\sqrt{6}}{2},\sqrt{2},-1)$,
设$AD$与平面$ABC$所成角为$\theta$,则$\sin \theta =\vert \cos  < \overrightarrow{AD},\overrightarrow{n} > \vert =\dfrac{\vert \overrightarrow{AD}\cdot \overrightarrow{n}\vert }{\vert \overrightarrow{AD}\vert \vert \overrightarrow{n}\vert }=\dfrac{3\sqrt{2}}{\sqrt{6}\times \dfrac{3\sqrt{2}}{2}}=\dfrac{\sqrt{6}}{3}$,
所以$AD$与平面$ABC$所成角的正弦值为$\dfrac{\sqrt{6}}{3}$.

〖点评〗本题考查线面垂直的证明,直线与平面所成角的求解,属于中档题.

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