(12分)如图,三棱柱 A B C - A _ 1 B _…——2014 高考数学第 19 题答案解析

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2014 National Question 19 Free-response Differentiating
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19.(12分)如图,三棱柱 $\mathsf { A B C } - \mathsf { A } _ { 1 } \mathsf { B } _ { 1 } \mathsf { C } _ { 1 }$ 中,点 ${ \sf A } _ { 1 }$ 在平面ABC内的射影D在AC上$\angle A C B = 9 0 ^ { \circ } , ~ { \mathsf { B C } } = 1 , ~ { \mathsf { A C } } = { \mathsf { C C } } _ { 1 } = 2$

(Ⅰ)证明: $\mathsf { A C } _ { 1 } \bot \mathsf { A } _ { 1 } \mathsf { B }$ ;

(Ⅱ)设直线 ${ \mathsf { A A } } _ { 1 }$ 与平面 $\mathsf { B C C } _ { 1 } \mathsf { B } _ { 1 }$ 的距离为 ${ \sqrt { 3 } } ,$ ,求二面角 $\mathsf { A } _ { 1 } - \mathsf { A B } - \mathsf { C }$ 的大小.

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(Ⅰ)证明:
因为 $A_1$ 在平面 $ABC$ 内的射影 $D$ 在 $AC$ 上,所以 $A_1D \perp$ 平面 $ABC$。
又 $A_1D \subset$ 平面 $AA_1C_1C$,所以平面 $AA_1C_1C \perp$ 平面 $ABC$。
因为 $\angle ACB = 90^\circ$,即 $BC \perp AC$,且平面 $AA_1C_1C \cap$ 平面 $ABC = AC$,
所以 $BC \perp$ 平面 $AA_1C_1C$。
因为 $AC_1 \subset$ 平面 $AA_1C_1C$,所以 $BC \perp AC_1$。

在三棱柱 $ABC-A_1B_1C_1$ 中,侧面 $AA_1C_1C$ 是平行四边形。
已知 $AC = CC_1 = 2$,所以侧面 $AA_1C_1C$ 是菱形。
根据菱形的性质,对角线互相垂直,即 $AC_1 \perp A_1C$。

因为 $AC_1 \perp BC$,$AC_1 \perp A_1C$,且 $BC \cap A_1C = C$,$BC, A_1C \subset$ 平面 $A_1BC$,
所以 $AC_1 \perp$ 平面 $A_1BC$。
又 $A_1B \subset$ 平面 $A_1BC$,
所以 $AC_1 \perp A_1B$。

(Ⅱ)解:
由(Ⅰ)知 $BC \perp$ 平面 $AA_1C_1C$,又 $BC \subset$ 平面 $BCC_1B_1$,
所以平面 $AA_1C_1C \perp$ 平面 $BCC_1B_1$,交线为 $CC_1$。
过点 $A_1$ 作 $A_1E \perp CC_1$ 于 $E$,则 $A_1E \perp$ 平面 $BCC_1B_1$。
因为 $AA_1 \parallel$ 平面 $BCC_1B_1$,所以直线 $AA_1$ 到平面 $BCC_1B_1$ 的距离等于 $A_1E$ 的长。
由题意得 $A_1E = \sqrt{3}$。

在菱形 $AA_1C_1C$ 中,连接 $A_1C$。
因为 $AC=CC_1=2$,所以 $\triangle AA_1C \cong \triangle C_1CA$(SSS),故 $\angle A_1CA = \angle C_1CA$。
即 $CA_1$ 平分 $\angle ACC_1$。
根据角平分线的性质,点 $A_1$ 到 $AC$ 的距离等于点 $A_1$ 到 $CC_1$ 的距离。
即 $A_1D = A_1E = \sqrt{3}$。

在 Rt$\triangle A_1DA$ 中,$AA_1 = CC_1 = 2$,$A_1D = \sqrt{3}$,
所以 $AD = \sqrt{AA_1^2 - A_1D^2} = \sqrt{4-3} = 1$。
因为 $AC=2$,所以 $D$ 为 $AC$ 的中点。

过点 $D$ 作 $DF \perp AB$ 于 $F$,连接 $A_1F$。
因为 $A_1D \perp$ 平面 $ABC$,$AB \subset$ 平面 $ABC$,所以 $A_1D \perp AB$。
又 $DF \perp AB$,$A_1D \cap DF = D$,
所以 $AB \perp$ 平面 $A_1DF$。
因为 $A_1F \subset$ 平面 $A_1DF$,所以 $AB \perp A_1F$。
故 $\angle A_1FD$ 即为二面角 $A_1-AB-C$ 的平面角。

在 Rt$\triangle ABC$ 中,$AC=2, BC=1$,则 $AB = \sqrt{AC^2+BC^2} = \sqrt{5}$。
因为 $D$ 为 $AC$ 中点,且 $DF \perp AB$,易证 $\triangle ADF \sim \triangle ABC$(或利用面积法/三角函数)。
$\sin A = \frac{BC}{AB} = \frac{1}{\sqrt{5}}$。
在 Rt$\triangle ADF$ 中,$DF = AD \cdot \sin A = 1 \cdot \frac{1}{\sqrt{5}} = \frac{\sqrt{5}}{5}$。

在 Rt$\triangle A_1DF$ 中,$\tan \angle A_1FD = \frac{A_1D}{DF} = \frac{\sqrt{3}}{\frac{\sqrt{5}}{5}} = \sqrt{15}$。
所以二面角 $A_1-AB-C$ 的大小为 $\arctan \sqrt{15}$。

✅ 来源:2014年 · 全国 · 2014_daganji_old · 第 19 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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