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2022年高考数学甲卷-理18

  2022-12-16 17:37:55  

(12分)在四棱锥$P-ABCD$中,$PD\bot$底面$ABCD$,$CD//AB$,$AD=DC=CB=1$,$AB=2$,$DP=\sqrt{3}$.
(1)证明:$BD\bot PA$;
(2)求$PD$与平面$PAB$所成的角的正弦值.

分析:(1)易知$PD\bot BD$,取$AB$中点$E$,容易证明四边形$BCDE$为平行四边形,再根据长度关系可得$BD\bot AD$,进而得证;
(2)建立空间直角坐标系,写出各点的坐标,再求出平面$PAB$的法向量,利用向量的夹角公式即可得解.
解答:解:(1)证明:$\because PD\bot$底面$ABCD$,$BD\subset$面$ABCD$,
$\therefore PD\bot BD$,
取$AB$中点$E$,连接$DE$,
$\because AD=DC=CB=1$,$AB=2$,
$\therefore \angle DAB=60^\circ$,又$\because AE=\dfrac{1}{2}AB=AD=1$,
$\therefore DE=1$,$\therefore DE=\dfrac{1}{2}AB$,
$\therefore \Delta ABD$为直角三角形,且$AB$为斜边,
$\therefore BD\bot AD$,
又$PD\bigcap AD=D$,$PD\subset$面$PAD$,$AD\subset$面$PAD$,
$\therefore BD\bot$面$PAD$,
又$PA\subset$面$PAD$,
$\therefore BD\bot PA$;
(2)由(1)知,$PD$,$AD$,$BD$两两互相垂直,故建立如图所示的空间直角坐标系,

$BD=\sqrt{A{B}^{2}-A{D}^{2}}=\sqrt{3}$,
则$D(0,0,0),A(1,0,0),B(0,\sqrt{3},0),P(0,0,\sqrt{3})$,
$\therefore$$\overrightarrow{PD}=(0,0,-\sqrt{3}),\overrightarrow{PA}=(1,0,-\sqrt{3}),\overrightarrow{AB}=(-1,\sqrt{3},0)$,
设平面$PAB$的一个法向量为$\overrightarrow{n}=(x,y,z)$,则$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{PA}=x-\sqrt{3}z=0}\\ {\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{AB}=-x+\sqrt{3}y=0}\end{array}\right.$,则可取$\overrightarrow{n}=(\sqrt{3},1,1)$,
设$PD$与平面$PAB$所成的角为$\theta$,则$\sin \theta =\vert \cos  < \overrightarrow{PD},\overrightarrow{n} > \vert =\vert \dfrac{\overrightarrow{PD}\cdot \overrightarrow{n}}{\vert \overrightarrow{PD}\vert \vert \overrightarrow{n}\vert }\vert =\dfrac{\sqrt{5}}{5}$,
$\therefore PD$与平面$PAB$所成的角的正弦值为$\dfrac{\sqrt{5}}{5}$.

解答:本题考查线面垂直的判定以及利用空间向量求解二面角的正弦值,考查逻辑推理能力及运算求解能力,属于中档题.

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