四棱锥 $P-ABCD$ 的底面 $ABCD$ 是一个顶角为 $60^\circ$ 的菱形,每个侧面与底面的夹角都是 $60^\circ$,棱锥内有一点 $M$ 到底面及各侧面的距离皆为 $1$,则棱锥的体积的平方为
【难度】
【出处】
2018年全国高中数学联赛江西省预赛
【标注】
  • 数学竞赛
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    立体几何
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    空间计算
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    立体几何
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【答案】
$192$
【解析】
设菱形两对角线 $AC,BD$ 的交点为 $H$,则 $PH$ 即是线段 $AC$ 的中垂线,又是 $BD$ 的中垂线,故是四棱锥的高,且点 $M$ 在 $PH$ 上,于是平面 $PBD$ 与底面 $ABCD$ 垂直,同理平面 $PAC$ 也与底面 $ABCD$ 垂直,平面 $PBD$ 将四棱锥分成两个等积的四面体.只需考虑四面体 $P-ABCD$.如图,设点 $M$ 在面 $PAD$ 上的投影为 $E$,平面 $MEH$ 过点 $P$,且交 $AD$ 于 $F$,因 $\angle MHF=90^\circ=\angle MEF$,则 $M,E,F,H$ 四点共圆.由于 $ME\bot$ 面 $PAD$,得 $ME\bot AD$,由 $MH\bot$ 面 $ABD$,得 $MH\bot AD$,所以 $AD\bot$ 面 $MEH$,故 $AD\bot PF$.$FH$ 是 $PF$ 在面 $ABD$ 内的射影,则 $AD\bot FH$,即二面角的平面角 $\angle EFH=60^\circ$,于是 $\angle EMH=120^\circ$.据 $ME=MH=1$,得 $EH=\sqrt{3}$,故直角三角形 $MEF$ 与 $MHF$ 中,$EF=HF$.因 $\angle EFH=60^\circ$,所以 $\triangle EFH$ 是正三角形,即 $FH=EF=H=\sqrt{3}$.在直角 $\triangle AFH$ 中,$\angle HAF=30^\circ$,则 $AH=2FH=\sqrt{3}$,故正 $\triangle ABD$ 的边长为 $4$,于是 $S_{\triangle ABD}=4\sqrt{3}$.在直角 $\triangle PFH$ 中,$PH=FH\tan 60^\circ=3,V_{P-ABD}=\dfrac{1}{3}PH\cdot S_{\triangle ABD}=4\sqrt{3}$,从而 $V_{P-ABCD}=2V_{P-ABD}=8\sqrt{3}$.
题目 答案 解析 备注
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