《九章算术⋅\boldsymbol{⋅}商功》:“斜解立方,得两塹堵,斜解塹堵,其一为阳马,一为鳖臑.阳马居二,鳖臑居一,不易之率也.合两鳖臑三而一,验之以基,其形露矣.”文中“阳马”是底面为长方形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥.在阳马P−ABCDP-ABCD中,侧棱PA⊥PA⊥底面ABCDABCD,且PA=1PA=1,AB=AD=2AB=AD=2,则点AA到平面PBDPBD的距离为()(\quad)
A. 23\dfrac{\sqrt{2}}{3}
B. 63\dfrac{\sqrt{6}}{3}
C. 62\dfrac{\sqrt{6}}{2}
D. 33\dfrac{\sqrt{3}}{3}

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完整解法

1. 计算三棱锥 $P-ABD$ 的体积

由题意可知,阳马 P−ABCDP-ABCD 中,侧棱 PA⊥PA \perp 底面 ABCDABCD,且 PA=1PA=1,AB=AD=2AB=AD=2。
因为底面 ABCDABCD 为长方形且相邻两边 AB=AD=2AB=AD=2,故底面为正方形,所以 △ABD\triangle ABD 是直角三角形,其面积为:
S△ABD=12×AB×AD=12×2×2=2.S_{\triangle ABD} = \frac{1}{2} \times AB \times AD = \frac{1}{2} \times 2 \times 2 = 2.
因此,三棱锥 P−ABDP-ABD 的体积为:
VP−ABD=13×S△ABD×PA=13×2×1=23.V_{P-ABD} = \frac{1}{3} \times S_{\triangle ABD} \times PA = \frac{1}{3} \times 2 \times 1 = \frac{2}{3}.

2. 计算 $\triangle PBD$ 的各边长及面积

在直角 △ABD\triangle ABD 中,由勾股定理得:
BD=AB2+AD2=22+22=22.BD = \sqrt{AB^2 + AD^2} = \sqrt{2^2 + 2^2} = 2\sqrt{2}.
因为 PA⊥PA \perp 底面 ABCDABCD,所以 PA⊥ABPA \perp AB,PA⊥ADPA \perp AD。
在直角 △PAB\triangle PAB 和直角 △PAD\triangle PAD 中,由勾股定理得:
PB=PA2+AB2=12+22=5,PB = \sqrt{PA^2 + AB^2} = \sqrt{1^2 + 2^2} = \sqrt{5},
PD=PA2+AD2=12+22=5.PD = \sqrt{PA^2 + AD^2} = \sqrt{1^2 + 2^2} = \sqrt{5}.
因此,△PBD\triangle PBD 是以 PB=PD=5PB=PD=\sqrt{5},BD=22BD=2\sqrt{2} 为边的等腰三角形。
设 BDBD 的中点为 MM,连接 PMPM,则 PM⊥BDPM \perp BD。
在直角 △PMB\triangle PMB 中,BM=12BD=2BM = \frac{1}{2}BD = \sqrt{2},由勾股定理得:
PM=PB2−BM2=(5)2−(2)2=3.PM = \sqrt{PB^2 - BM^2} = \sqrt{(\sqrt{5})^2 - (\sqrt{2})^2} = \sqrt{3}.
所以 △PBD\triangle PBD 的面积为:
S△PBD=12×BD×PM=12×22×3=6.S_{\triangle PBD} = \frac{1}{2} \times BD \times PM = \frac{1}{2} \times 2\sqrt{2} \times \sqrt{3} = \sqrt{6}.

3. 利用等体积法求出点 $A$ 到平面 $PBD$ 的距离

设点 AA 到平面 PBDPBD 的距离为 hh。
利用三棱锥的体积不随顶点和底面的转换而改变(等体积法),可得:
VA−PBD=VP−ABDV_{A-PBD} = V_{P-ABD}
即:
13×S△PBD×h=23\frac{1}{3} \times S_{\triangle PBD} \times h = \frac{2}{3}
代入 S△PBD=6S_{\triangle PBD} = \sqrt{6},得:
13×6×h=23  ⟹  h=26=63.\frac{1}{3} \times \sqrt{6} \times h = \frac{2}{3} \implies h = \frac{2}{\sqrt{6}} = \frac{\sqrt{6}}{3}.
因此,点 AA 到平面 PBDPBD 的距离为 63\frac{\sqrt{6}}{3}。
选项B符合题意。

答案

B

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