立体几何之目:2013年理数A18:几何法求线面角

2013年理科数学全国卷A题18

(18)(本小题满分12分)

如图,三棱柱 ABC-A_1B_1C_1 中,CA=CB,AB=AA_1,\angle BAA_1=60°.

(I)证明∶AB \perp A_1C ;

(Ⅱ)若平面 ABC \perp 平面 AA_1B_1B, AB=CB,求直线 A_1C 与平面 BB_1C_1C 所成角的正弦值.

2013年理科数学全国卷A

2013年理数A18

【解答第1问】

连接 BA_1; 作 AB 中点 M, 连接 MC,MA_1.

AB=AA_1, \angle BAA_1=60°, ∴ AA_1=BA_1

又∵ MA=MB, ∴ MA_1 \perp AB

CA=CB, MA=MB, ∴ MC \perp AB

MA_1 \perp AB, MC \perp AB, MC \cap MA_1 =M,

AB \perpMCA_1, ∴ AB \perp A_1C


【解答第2问】

AB=2

∵ 平面 ABC \perp 平面 AA_1B_1B, MC \perp AB, MA_1 \perp AB,∴ CM \perp MA_1, CA_1^2=CM^2+MA_1^2

AB=CB=CA, ∴ CM=\sqrt{3}

又∵ AB=AA_1,\angle BAA_1=60°, ∴ AB=AA_1=BA_1, MA_1=\sqrt{3}

CA_1=\sqrt{6}

A_1B_1 中点 N, 连接 C_1N,BN,C_1B.

由题设条件可知:\triangle C_1NB 是等腰直角三角形. C_1B=\sqrt{6}

C_1B=\sqrt{6},C_1B_1=BB_1=2, ∴ S_{\triangle BB_1C_1}=\dfrac{\sqrt{15}}{2}

S_{\triangle ABA_1}=\sqrt{3}

V_{C-ABA_1}=V_{C-A_1B_1B}=\dfrac{1}{3}\times CM \times S_{\triangle ABA_1}=1

S_{\triangle CBB_1}=S_{\triangle C_1BB_1}

A_1BB_1C_1C 的距离 = \dfrac{3V_{C-A_1B_1B}}{S_{\triangle CBB_1}} = \dfrac{2\sqrt{3}}{\sqrt{5}}

直线 A_1C 与平面 BB_1C_1C 所成角的正弦值 =\dfrac{2\sqrt{3}}{\sqrt{5}} \times \dfrac{1}{\sqrt{6}}

= \dfrac{\sqrt{10}}{5}


【提炼与提高】

底边长和高相等的两个三角形面积相等;底面积和高相等的两个四面体体积相等。

根据底面积和高可以计算四面体的体积;反之,根据体积和底面积也可以计算在该底面的高。

以上原理在几何中有大题的应用。

四面体是立体几何中的核心对象。在本题解答过程中,我们关注的是两个四面体:C-ABA_1, C_1-A_1B_1B.

在解答立体几何问题的过程中,应该把注意力放在关键的对象上,必要时可以专门为这些对象画出独立图形。这是一个有用的经验。


【回归教材】

本题第1问是一个课本题:人教版《数学-必修2》§2.3.2 练习1(p67). 这个题已经在高考中出现多次。


【相关考题】

2007年文数海南卷题18

2017年文数C19


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