(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

2014_新课标I Paper

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,侧面 $\mathsf { B B } _ { 1 } \mathsf { C } _ { 1 } \mathsf { C }$ 为菱形, $\mathsf { B } _ { 1 } \mathsf { C }$ 的中点为O,且AO⊥平面 ${ \mathsf { B B } } _ { 1 } { \mathsf { C } } _ { 1 } { \mathsf { C } }$

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

(2)若 $\cdot \mathsf { A C \bot A B _ { 1 } } , \angle \mathsf { C B B _ { 1 } } \mathsf { = } 6 0 ^ { \circ }$ ,BC=1,求三棱柱 $\mathsf { A B C } - \mathsf { A } _ { 1 } \mathsf { B } _ { 1 } \mathsf { C } _ { 1 }$ 的高

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(1)连接 $BC_1$,设 $BC_1$ 与 $B_1C$ 交于点 $O$。
因为侧面 $BB_1C_1C$ 为菱形,所以对角线互相垂直,即 $BC_1 \perp B_1C$。
又因为 $AO \perp$ 平面 $BB_1C_1C$,且 $B_1C \subset$ 平面 $BB_1C_1C$,
所以 $AO \perp B_1C$。
因为 $AO \cap BC_1 = O$,且 $AO, BC_1 \subset$ 平面 $ABO$,
所以 $B_1C \perp$ 平面 $ABO$。
又因为 $AB \subset$ 平面 $ABO$,
所以 $B_1C \perp AB$。

(2)作 $OD \perp BC$ 于 $D$,连接 $AD$,作 $OH \perp AD$ 于 $H$。
因为 $AO \perp$ 平面 $BB_1C_1C$,且 $BC \subset$ 平面 $BB_1C_1C$,所以 $AO \perp BC$。
又 $OD \perp BC$,且 $AO \cap OD = O$,
所以 $BC \perp$ 平面 $AOD$。
因为 $OH \subset$ 平面 $AOD$,所以 $BC \perp OH$。
又 $OH \perp AD$,且 $BC \cap AD = D$,
所以 $OH \perp$ 平面 $ABC$。
即 $OH$ 为点 $O$ 到平面 $ABC$ 的距离。

由 $\angle CBB_1 = 60^\circ$ 且 $BC=BB_1=1$(菱形边长相等),可知 $\triangle CBB_1$ 为等边三角形,所以 $B_1C=1$。
因为 $AC \perp AB_1$,即 $\triangle AB_1C$ 为直角三角形,且 $O$ 为斜边 $B_1C$ 的中点,
所以 $OA = \frac{1}{2}B_1C = \frac{1}{2}$。
在等边 $\triangle CBB_1$ 中,$O$ 为 $B_1C$ 中点,则 $O$ 到 $BC$ 的距离 $OD$ 等于 $B_1$ 到 $BC$ 距离的一半,
即 $OD = \frac{1}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{2} \times 1 = \frac{\sqrt{3}}{4}$。
在 Rt$\triangle AOD$ 中(因 $AO \perp$ 平面 $BB_1C_1C \Rightarrow AO \perp OD$),
$AD = \sqrt{OA^2 + OD^2} = \sqrt{\left(\frac{1}{2}\right)^2 + \left(\frac{\sqrt{3}}{4}\right)^2} = \sqrt{\frac{1}{4} + \frac{3}{16}} = \frac{\sqrt{7}}{4}$。
由等面积法 $OH \cdot AD = OA \cdot OD$,得
$OH = \frac{OA \cdot OD}{AD} = \frac{\frac{1}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{4}}{\frac{\sqrt{7}}{4}} = \frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{7}} = \frac{\sqrt{21}}{14}$。
因为 $O$ 是 $B_1C$ 的中点,点 $C$ 在平面 $ABC$ 上,
所以点 $B_1$ 到平面 $ABC$ 的距离 $h = 2OH = 2 \times \frac{\sqrt{21}}{14} = \frac{\sqrt{21}}{7}$。
即三棱柱 $ABC-A_1B_1C_1$ 的高为 $\frac{\sqrt{21}}{7}$。

✅ 来源:2014年 · 全国 · 2014_新课标I卷 · 第 19 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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