立体几何之目:2017年全国卷A18文理

说明:2017年,文科数学与理科数学的全国卷A立体几何大题使用了完全相同的模型,第1问相同,但第2问不同。所以我们放在一起讨论。


2017年文科数学全国卷A题18

如图,在四棱锥 P-ABCD 中,AB//CD,且 \angle BAP= \angle CDP=90°.

(1)证明∶平面 PAB \perp平面 PAD;

(2)若 PA=PD=AB=DC,\angle APD=90°,且四棱锥 P-ABCD 的体积为 \dfrac{8}{3},求该四棱锥的侧面积.

2017年文科卷A和理科卷A使用同一个模型

2017年理科数学全国卷A题18

如图,在四棱锥 P-ABCD 中,AB//CD,且 \angle BAP= \angle CDP=90°.

(1)证明∶平面 PAB \perp平面 PAD;

(2)若 PA=PD=AB=DC,\angle APD=90°,求二面角 A-PB -C 的余弦值.


【解答第1问】

因为 \angle BAP= \angle CDP=90°, 且 AB//CD

所以 AB \perp PA, AB \perp PD, 而 PA \cap PD =P, 所以 AB \perp 平面 PAD.

又因为 AB \subset 平面 PAB, 所以 平面 PAB \perp平面 PAD.


模型展开图

【解答文数第2问】

因为 AB \perp 平面 PAD.AB//CD,所以 CD \perp 平面 PAD.

所以 AB \perp AD, CD \perp AC.

因为 PA=PD=AB=DC\angle APD=\angle BAD=\angle CDA=90°

所以 \triangle PAD \cong \triangle APB \cong \triangle DPC

而且,这是三个全等的等腰直角三角形.

所以 PB=PC=BC. \triangle PBC 是等边三角形,ABCD 是矩形。

四棱锥 P-ABCD 的平面展开图如下图所示。

AB=CD=PA=PD

PC=PB=BC=AD=\sqrt{2}AB

S_{ABCD}=\sqrt{2} |AB| ^2

S_{\triangle PAD} = S_{\triangle PAB} = S_{\triangle PDC} = \dfrac{1}{2} |AB|^2

S_{\triangle PBC} = \dfrac{\sqrt{3}}{2} |AB|^2

V_{P-ABCD}=\dfrac{1}{3} |PM| \cdot S_{ABCD} =\dfrac{1}{3} |AB|^3 = \dfrac{8}{3}

所以 |AB|=2

该四棱锥的侧面积 =S_{\triangle PBC} + 3 \times S_{\triangle PAB} = 6 + 2 \sqrt{3}


注意三角形MAC

【解答理数第2问】

PB 中点 M,并连接 MA,MC,AC.

因为 PA=PD=AB=DC\angle APD=\angle BAD=\angle CDA=90°

所以 \triangle PAD \cong \triangle APB \cong \triangle DPC

所以, \triangle ABP 是等腰直角三角形;PBC 是等边三角形。

所以, AM \perp PB, CM \perp PB.

\angle AMC 是平面角。

AB=1, 则 BC=\sqrt{2}, AC=\sqrt{3}, CM=\dfrac{\sqrt{6}}{2}, AM=\dfrac{\sqrt{2}}{2}

根据余弦定理,\cos \angle AMC = \dfrac{AM^2+CM^2-AC^2}{2 \cdot AM \cdot CM}=-\dfrac{\sqrt{3}}{3}

二面角 A-PB -C 的余弦值为 -\dfrac{\sqrt{3}}{3}.


【提炼与提高】

2017年全国卷A的这两个题难度较低,适合备考初期练手。

注意仔细读题。文数卷题目要求的是侧面积,不是表面积;矩形 ABCD 的面积不包括在内。不注意这点可能被扣分。

理数卷第2问求二面角的余弦,是很常规的考法。假如与2016年全国卷A的立体几何大题相比,2017年的这个题难度实在是太低了。

求二面角的大小有三条基本的思路:

1)求平面角;

2)根据面积比求二面角的余弦;

3)向量法;

本题用第一种思路,结合余弦定理,即可解决。

总结一下本题中涉及的考点:

『二面角与平面角』

『三线合一』

『余弦定理』


【相似考题】

2007年文数海南卷


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