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19立体几何初步★★★☆☆
如图,四棱锥 P−ABCDP - ABCD 中,PA⊥PA \perp 底面 ABCDABCD,PA=23PA = 2\sqrt{3},BC=CD=2BC = CD = 2,∠ACB=∠ACD=π3\angle ACB = \angle ACD = \frac{\pi}{3}.
(1) 求证: BD⊥BD \perp 平面 PAC; (2) 若侧棱 PCPC 上的点 FF 满足 PF=7FCPF = 7FC,求三棱锥 P−BDFP - BDF 的体积.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 在等腰三角形 BCDBCD 中,BC=CDBC=CD,且 ACAC 平分顶角 ∠BCD\angle BCD,所以
AC⊥BDAC\perp BD
又因为 PA⊥PA\perp 底面 ABCDABCD,而 BDBD 在底面内,所以 BD⊥PABD\perp PA. 直线 ACAC 与 PAPA 都在平面 PACPAC 内,且相交于 AA. 因为 BDBD 垂直于这两条相交直线,所以 BD⊥BD\perp 平面 PACPAC. \item 建立空间直角坐标系:取 CC 为原点,xx 轴沿 CACA,yy 轴沿底面内垂直于 CACA 的方向,zz 轴沿 APAP. 设 AC=mAC=m,则可取 C=(0,0,0)C=(0,0,0),A=(m,0,0)A=(m,0,0),B=(1,3,0)B=(1,\sqrt3,0),D=(1,−3,0)D=(1,-\sqrt3,0),P=(m,0,23)P=(m,0,2\sqrt3). 其中 BB,DD 的坐标来自 BC=CD=2BC=CD=2 及 ∠ACB=∠ACD=π3\angle ACB=\angle ACD=\frac\pi3.
由 PF=7FCPF=7FC,得 PF:PC=7:8PF:PC=7:8,所以
PF→=78PC→\overrightarrow{PF}=\frac78\overrightarrow{PC}
于是
VP−BDF=16⋅78∣det⁡(1−m3−231−m−3−23−m0−23)∣=16⋅78×12=74V_{P-BDF} =\frac16\cdot\frac78 \left|\det\begin{pmatrix} 1-m&\sqrt3&-2\sqrt3\\ 1-m&-\sqrt3&-2\sqrt3\\ -m&0&-2\sqrt3 \end{pmatrix}\right| =\frac16\cdot\frac78\times12=\frac74
故三棱锥 P−BDFP-BDF 的体积为 74\frac74. \end{enumerate} \end{solution}

2013 · 重庆 · 文 · 第 19 题 · 解答题

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