本题导读

考查线面垂直与体积。,,,合计 (合集解析的三棱柱法数值 有误,此为第 5 处裁定)。

📌【题干】

Question

(2009年安徽卷(文)) 如图, 是边长为 的正方形,直线 与平面 平行, 和 是 上的两个不同点,且 ,. 和 是平面 内的两点, 和 都与平面 垂直.

(1) 证明:直线 垂直且平分线段 ;

(2) 若 ,,求多面体 的体积.

🔍【思路分析】

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  1. (1) 平面得 , 在 垂直平分线上;同理 也在线段 的垂直平分线上,故 垂直且平分 。
  2. (2) 建系:,,,。
  3. 得 ; 得 ,。
  4. 分割:正四棱锥 -(高 ) 正四面体 -(棱长 ):。

✅【答案】

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(1) 见解析;(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1) 因为 且 平面 ,所以 ,点 在线段 的垂直平分线上。 同理,点 在线段 的垂直平分线上。又 是正方形,线段 的垂直平分线就是线段 的垂直平分线, 即点 、 都在线段 的垂直平分线上,所以直线 垂直且平分线段 。 (2) 以 为原点建系:,,,,设 (由 (1) 在直线 上),。 由 ,得 ; 由 ,得 ,代入 得 。 连接 ,。由 得 ,同理 。 于是 ,多面体 可分割为正四棱锥 - 与正四面体 - 两部分。 ; (棱长为 的正四面体体积,亦可由 换底求得)。 所以多面体 的体积为 。 (裁定注:合集解析把多面体当作以 为底、以 为棱的三棱柱,且用 求得 ;但 并不垂直于平面 ,该公式误用。按分割法独立复算与三方网络旁证均为 。)

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:线面垂直的性质与多面体体积

核心方法:投影等距定垂直平分线;分割法求体积

避坑指南: 平面把”空间等距”转为”投影等距”;体积用分割:正四棱锥 -() 正四面体 -(棱长 ,)。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:线面垂直是”平面内投影保持等距”的桥梁。

结论推广:不规则多面体优先考虑分割或补形。

方法推广:正四面体体积公式 可当结论记,也可换底为 求。

🔗【关联脉络】

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