(12分)如图,三棱柱 A B C - A _ 1 B _…——2012 高考数学第 19 题答案解析

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2012 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,侧棱垂直底面, $\angle A C B = 9 0 ^ { \circ }$ $A C = B C$ $\mathsf { \Lambda } = \frac { 1 } { 2 } \mathsf { A } \mathsf { A } _ { 1 }$ ,D是棱 $\mathsf { A A } _ { 1 }$ 的中点

(Ⅰ)证明:平面 ${ \mathsf { B D C } } _ { 1 } \bot$ 平面BDC

(Ⅱ)平面 $\mathsf { B D C } _ { 1 }$ 分此棱柱为两部分,求这两部分体积的比

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(Ⅰ)证明:
由题意知,侧棱 $AA_1 \perp$ 底面 $ABC$,且 $\angle ACB = 90^\circ$。
$\because BC \perp AC$,且 $BC \perp CC_1$(侧棱垂直底面),$AC \cap CC_1 = C$,
$\therefore BC \perp$ 平面 $ACC_1A_1$。
又 $\because DC_1 \subset$ 平面 $ACC_1A_1$,
$\therefore BC \perp DC_1$。

设 $AC = BC = a$,则 $AA_1 = 2a$。
$\because D$ 是 $AA_1$ 的中点,$\therefore AD = A_1D = a$。
在矩形 $ACC_1A_1$ 中,
$\triangle ADC$ 为等腰直角三角形,$\angle ADC = 45^\circ$;
$\triangle A_1DC_1$ 为等腰直角三角形,$\angle A_1DC_1 = 45^\circ$。
$\therefore \angle CDC_1 = 180^\circ - \angle ADC - \angle A_1DC_1 = 180^\circ - 45^\circ - 45^\circ = 90^\circ$,
即 $DC \perp DC_1$。

又 $\because BC \cap DC = C$,$BC, DC \subset$ 平面 $BDC$,
$\therefore DC_1 \perp$ 平面 $BDC$。
又 $\because DC_1 \subset$ 平面 $BDC_1$,
$\therefore$ 平面 $BDC_1 \perp$ 平面 $BDC$。

(Ⅱ)解:
不妨设 $AC = BC = 1$,则 $AA_1 = 2$。
三棱柱 $ABC-A_1B_1C_1$ 的体积为:
$V_{\text{柱}} = S_{\triangle ABC} \cdot AA_1 = \frac{1}{2} \times 1 \times 1 \times 2 = 1$。

平面 $BDC_1$ 将棱柱分为两部分,其中一部分为四棱锥 $B-ACC_1D$(即以梯形 $ACC_1D$ 为底,点 $B$ 为顶点的棱锥)。
该四棱锥的底面是直角梯形 $ACC_1D$,其面积为:
$S_{\text{梯形}ACC_1D} = \frac{(AD + CC_1) \cdot AC}{2} = \frac{(1 + 2) \times 1}{2} = \frac{3}{2}$。
该四棱锥的高即为点 $B$ 到平面 $ACC_1A_1$ 的距离。
由(Ⅰ)知 $BC \perp$ 平面 $ACC_1A_1$,故高 $h = BC = 1$。
$\therefore$ 四棱锥 $B-ACC_1D$ 的体积为:
$V_1 = \frac{1}{3} S_{\text{梯形}ACC_1D} \cdot h = \frac{1}{3} \times \frac{3}{2} \times 1 = \frac{1}{2}$。

另一部分的体积为:
$V_2 = V_{\text{柱}} - V_1 = 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}$。

故这两部分体积的比为 $V_1 : V_2 = \frac{1}{2} : \frac{1}{2} = 1:1$。

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