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03立体几何初步★★★☆☆
某几何体的正视图和侧视图均如下图所示,则该几何体的俯视图不可能是( )
A.
B.
C.
D.

2012 · 湖南 · 理 · 第 3 题 · 选择题

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18立体几何初步★★★★☆
如图,在四棱锥 P−ABCDP-ABCD 中,PA⊥PA\perp 平面 ABCDABCD,AB=4AB=4,BC=3BC=3,AD=5AD=5,∠DAB=∠ABC=90∘\angle DAB=\angle ABC=90^\circ,EE 是 CDCD 的中点.
(1) 证明:CD⊥CD\perp 平面 PAEPAE; (2) 若直线 PBPB 与平面 PAEPAE 所成的角和 PBPB 与平面 ABCDABCD 所成的角相等,求四棱锥 P−ABCDP-ABCD 的体积.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 在底面 ABCDABCD 中,取 A(0,0,0)A(0,0,0)、B(4,0,0)B(4,0,0)、C(4,3,0)C(4,3,0)、D(0,5,0)D(0,5,0) 为各点坐标. 因为 EE 是 CDCD 的中点,所以 E(2,4,0)E(2,4,0). 从而 CD→=(−4,2,0)\overrightarrow{CD}=(-4,2,0),AE→=(2,4,0)\overrightarrow{AE}=(2,4,0), 且
CD→⋅AE→=−8+8=0\overrightarrow{CD}\cdot\overrightarrow{AE}=-8+8=0
又因为 PA⊥PA\perp 平面 ABCDABCD,所以 CD⊥PACD\perp PA. 直线 PAPA 与 AEAE 相交且都在平面 PAEPAE 内,直线 CDCD 垂直于这两条相交直线,故
CD⊥平面 PAECD\perp\text{平面 }PAE
\item 设 PA=hPA=h,则 P(0,0,h)P(0,0,h). 梯形 ABCDABCD 的面积为
SABCD=AD+BC2⋅AB=5+32⋅4=16S_{ABCD}=\frac{AD+BC}{2}\cdot AB =\frac{5+3}{2}\cdot4=16
设直线 PBPB 与平面 PAEPAE、平面 ABCDABCD 所成的角分别为 α\alpha,β\beta. 平面 PAEPAE 的一个法向量可取
AP→×AE→=(−4h,2h,0)\overrightarrow{AP}\times\overrightarrow{AE} =(-4h,2h,0)
而 PB→=(4,0,−h)\overrightarrow{PB}=(4,0,-h),∣PB∣=h2+16|PB|=\sqrt{h^2+16}. 因此
sin⁡α=∣PB→⋅(AP→×AE→)∣∣PB∣ ∣AP→×AE→∣=85h2+16\sin\alpha =\frac{|\overrightarrow{PB}\cdot(\overrightarrow{AP}\times\overrightarrow{AE})|} {|PB|\,|\overrightarrow{AP}\times\overrightarrow{AE}|} =\frac{8}{\sqrt5\sqrt{h^2+16}}
直线 PBPB 与底面所成角满足
sin⁡β=PAPB=hh2+16\sin\beta=\frac{PA}{PB}=\frac{h}{\sqrt{h^2+16}}
题设 α=β\alpha=\beta,且两角均为锐角或直角,故正弦相等,得 85h2+16=hh2+16\frac{8}{\sqrt5\sqrt{h^2+16}} =\frac{h}{\sqrt{h^2+16}},h=85h=\frac8{\sqrt5}. 所以四棱锥体积为
V=13SABCD⋅PA=13⋅16⋅85=128515V=\frac13S_{ABCD}\cdot PA =\frac13\cdot16\cdot\frac8{\sqrt5} =\frac{128\sqrt5}{15}
\end{enumerate} \end{solution}

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