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2024年高考数学新高考Ⅱ-17

  2024-08-27 15:59:53  

(15分)如图,平面四边形$ABCD$中,$AB=8$,$CD=3$,$AD=5\sqrt{3}$,$\angle ADC=90^\circ$,$\angle BAD=30^\circ$,点$E$,$F$满足$\overrightarrow{AE}=\dfrac{2}{5}\overrightarrow{AD}$,$\overrightarrow{AF}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{AB}$,将$\Delta AEF$沿$EF$对折至$\Delta PEF$,使得$PC=4\sqrt{3}$.
(1)证明:$EF\bot PD$;
(2)求面$PCD$与面$PBF$所成的二面角的正弦值.

分析:(1)在$\Delta AEF$中,$AE=\dfrac{2}{5}AD$,$AF=\dfrac{1}{2}AB$,$\angle EAF=30^\circ$,由余弦定理可得$EF$,由勾股定理的逆定理可得$AE\bot EF$,由折叠的性质可知$PE\bot EF$,由线面垂直的判定定理可得$EF\bot$面$PDE$,即可得出答案.
(2)由线面垂直的判定定理可得$PE\bot$面$DEF$,进而可得$EF$,$ED$,$EP$所在直线两两垂直,以$EF$,$ED$,$EP$所在直线分别为$x$,$y$,$z$轴建立空间直角坐标系$E-xyz$,求出平面$PCD$的法向量$\overrightarrow{{n}_{1}}=(x_{1}$,$y_{1}$,$z_{1})$,平面$PBF$的法向量$\overrightarrow{{n}_{2}}=(x_{2}$,$y_{2}$,$z_{2})$,设平面$PCD$与平面$PBF$所成的二面角为$\alpha$,计算$\cos   < \overrightarrow{{n}_{1}}$,$\overrightarrow{{n}_{2}} > =\dfrac{\overrightarrow{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{{n}_{2}}}{\vert \overrightarrow{{n}_{1}}\vert \vert \overrightarrow{{n}_{2}}\vert }$,进而可得答案.
解:(1)证明:在$\Delta AEF$中,$AE=\dfrac{2}{5}AD=2\sqrt{3}$,$AF=\dfrac{1}{2}AB=4$,$\angle EAF=30^\circ$,
所以$\cos  \angle AEF=\dfrac{A{E}^{2}+A{F}^{2}-E{F}^{2}}{2AE\cdot AF}=\dfrac{12+16-E{F}^{2}}{2\cdot 2\sqrt{3}\cdot 4}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$,
所以$EF=2$,
所以$EF^{2}+AE^{2}=AF^{2}$,
所以$AE\bot EF$,
所以$DE\bot EF$,
由折叠的性质可知$PE\bot EF$,
又$PE\bigcap DE=E$,$PE$,$DE\subset$面$PDE$,
所以$EF\bot$面$PDE$,
又$PD\subset$面$PDE$,
所以$EF\bot PD$.
(2)$DE=5\sqrt{3}-2\sqrt{3}=3\sqrt{3}$,$CD=3$,$\angle CDE=90^\circ$,
所以$CE^{2}=36$,$CE=6$,
$PE=AE=2\sqrt{3}$,
所以$PE^{2}+CE^{2}=PC^{2}$,
所以$PE\bot CE$,
又因为$PE\bot EF$,$EF\bigcap CE=E$,$EF$,$CE\subset$面$DEF$,
所以$PE\bot$面$DEF$,
又$DE\subset$面$DEF$,
所以$PE\bot ED$,
所以$EF$,$ED$,$EP$所在直线两两垂直,
以$EF$,$ED$,$EP$所在直线分别为$x$,$y$,$z$轴建立空间直角坐标系$E-xyz:$

$P(0$,0,$2\sqrt{3})$,$D(0$,$3\sqrt{3}$,$0)$,$F(2$,0,$0)$,$A(0$,$-2\sqrt{3}$,$0)$,则$B(4$,$2\sqrt{3}$,$0)$,$C(3$,$3\sqrt{3}$,$0)$,
所以$\overrightarrow{PD}=(0$,$3\sqrt{3}$,$-2\sqrt{3})$,$\overrightarrow{CD}=(-3$,0,$0)$,$\overrightarrow{PB}=(4$,$2\sqrt{3}$,$-2\sqrt{3})$,$\overrightarrow{BF}=(-2$,$-2\sqrt{3}$,$0)$,
设平面$PCD$的法向量$\overrightarrow{{n}_{1}}=(x_{1}$,$y_{1}$,$z_{1})$,
所以$\begin{cases} \overrightarrow{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{PD}=3\sqrt{3}{y}_{1}-2\sqrt{3}{z}_{1}=0 \\  \overrightarrow{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{CD}=-3{x}_{1}=0\end{cases}$,
设$y_{1}=2$,则$z_{1}=3$,$x_{1}=0$,
所以$\overrightarrow{{n}_{1}}=(0$,2,$3)$,
设平面$PBF$的法向量$\overrightarrow{{n}_{2}}=(x_{2}$,$y_{2}$,$z_{2})$,
所以$\left\{\begin{array}{l}{\overrightarrow{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{PB}=4{x}_{2}+2\sqrt{3}{y}_{2}-2\sqrt{3}{z}_{2}=0} \\  {\overrightarrow{{n}_{2}}\cdot \overrightarrow{BF}=-2{x}_{2}-2\sqrt{3}{y}_{2}=0}\end{array}\right.$,
设$x_{2}=\sqrt{3}$,则$y_{2}=-1$,$z_{2}=1$,
所以$\overrightarrow{{n}_{2}}=(\sqrt{3}$,$-1$,$1)$,
设平面$PCD$与平面$PBF$所成的二面角为$\alpha$,
$\cos   < \overrightarrow{{n}_{1}}$,$\overrightarrow{{n}_{2}} > =\dfrac{\overrightarrow{{n}_{1}}\cdot \overrightarrow{{n}_{2}}}{\vert \overrightarrow{{n}_{1}}\vert \vert \overrightarrow{{n}_{2}}\vert }=\dfrac{(0,2,3)\cdot (\sqrt{3},-1,1)}{\sqrt{{2}^{2}+{3}^{2}}\cdot \sqrt{(\sqrt{3})^{2}+(-1)^{2}+{1}^{2}}}=\dfrac{1}{\sqrt{13}\cdot \sqrt{5}}=\dfrac{\sqrt{65}}{65}$,
所以$\sin  \alpha =\dfrac{8\sqrt{65}}{65}$.
点评:本题考查线面的位置关系,二面角,解题中注意转化思想的应用,属于中档题.

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