浙江 2008 · 数学 q10

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2008 · 数学 q10 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

(10)如图,ABAB 是平面 α\alpha 的斜线段,AA 为斜足,若点 PP 在平面 α\alpha 内运动,使得 △ABP\triangle ABP 的面积为定值,则动点 PP 的轨迹是

(A)圆  (B)椭圆

(C)一条直线  (D)两条平行直线

答案

B

本题的知识树

6 概念 · 2 公式 · 1 定理 · 1 题型 · 1 套路 · 1 易错点 · 最深 4 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

斜线段 ABAB、△ABP\triangle ABP 面积为定值,PP 的轨迹 · 距离定值就是圆柱面,斜截得椭圆 · 最终答案:B

转着看 · 换个机位再判断

面积为定值 ⇔\Leftrightarrow PP 到直线 ABAB(不是到线段、也不是到 AA)的距离为定值 ρ=2S∣AB∣\rho=\frac{2S}{|AB|} ⟹ PP 在以 ABAB 为轴、半径 ρ\rho 的圆柱面上;ABAB 是斜线段(既不垂直于 α\alpha 也不平行于 α\alpha)⟹ 圆柱与 α\alpha 斜交,截口是椭圆:短半轴 ρ\rho、长半轴 2Sh\frac{2S}{h},两者之比 ∣AB∣h>1\frac{|AB|}{h}>1 故不是圆 ⟹ 选 B。轴改成垂直于 α\alpha 就成圆、改成躺进 α\alpha 就成两条平行直线——另外三个选项各是另一道题,代码里换轴方向逐一验过

机位自由视角

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冷启动:把「面积为定值」换成「距离为定值」

题面:ABAB 是平面 α\alpha 的斜线段,AA 为斜足;PP 在 α\alpha 内运动, 使 △ABP\triangle ABP 的面积为定值,问 PP 的轨迹。

先把「斜线段」这三个字读清楚——它是题眼:

  • AA 是斜足,所以 A∈αA\in\alpha;
  • B∉αB\notin\alpha(否则 ABAB 整条都在平面内,不叫斜线段);
  • ABAB 不垂直于 α\alpha(垂直的那种叫垂线段,不叫斜线段)。

于是 BB 在 α\alpha 内的射影 B′B' 满足 B′≠AB'\neq A,且 h=∣BB′∣>0h=|BB'|>0。记 θ\theta 为 ABAB 与 α\alpha 所成的角, 则 0<θ<π20<\theta<\dfrac{\pi}{2}。

第一件事:AA、BB 是定点,PP 是动点——所以该拿 ABAB 当底。 三角形面积公式 的「底乘高」版本:

S△ABP=12 ∣AB∣⋅d(P, 直线 AB)S_{\triangle ABP}=\frac12\,|AB|\cdot d(P,\ \text{直线 }AB)

∣AB∣|AB| 是定长,于是

S 为定值⟺d(P, 直线 AB)=2S∣AB∣ 为定值S\ \text{为定值} \quad\Longleftrightarrow\quad d(P,\ \text{直线 }AB)=\frac{2S}{|AB|}\ \text{为定值}

面积条件被换成了一个纯粹的距离条件。

第二件事:这个距离是在空间里量的。 「到一条定直线的距离等于定值」—— 在平面内,这样的点是两条平行直线(选项 D 就是这么来的); 在空间里,它们是一个圆柱面(以那条直线为轴)。本题的 PP 虽然被关在 α\alpha 里, 但 d(P,直线 AB)d(P,\text{直线 }AB) 是空间距离,所以正确的图像是:

P 的轨迹=圆柱面 ∩ αP\ \text{的轨迹}=\text{圆柱面}\ \cap\ \alpha

剩下的问题只有一个:一个平面斜着截圆柱,截出来的是什么?

上下两块。① 斜二测视图:平面 \alpha 画成一块平行四边形(右下角标着 \alpha),蓝色斜线段从斜足 A 伸出平面到 B,虚线 BB' 是 B 到平面的垂线、B' 是射影;以直线 AB 为轴的圆柱面画成两条母线加一个垂直于轴的正截口圆,标着「圆柱面」;它与 \alpha 的交线是一条绿色椭圆,中心在 A,标着「轨迹=圆柱面 \cap\ \alpha」。② 把 \alpha 摊平正看:同一条椭圆,中心 A,一条红色双箭头量出沿 B' 方向的半轴 \frac{2S}{h}、一条蓝色双箭头量出垂直方向的半轴 \frac{2S}{|AB|},两条半轴的四个端点各标一个点;左下角写着「答案 B:椭圆」

解法一:面积定就是到直线 ABAB 的距离定——PP 在一个圆柱面上,被 α\alpha 斜着截开

怎么想到的。 面积里出现了一个定点对(AA、BB)和一个动点(PP), 那就该用同一个面积算两遍里「底乘高」的那一版,把定点对当底——动的东西全被赶进那个「高」里。

① 面积条件 →\to 距离条件。 以 ABAB 为底:

S=12∣AB∣⋅d(P, 直线 AB)⟹d(P, 直线 AB)=2S∣AB∣=:ρ (定值)S=\frac12|AB|\cdot d(P,\ \text{直线 }AB) \quad\Longrightarrow\quad d(P,\ \text{直线 }AB)=\frac{2S}{|AB|}=:\rho\ (\text{定值})

(∣AB∣|AB| 是定长,SS 是题给的定值,所以 ρ\rho 是一个确定的正数。)

② 距离条件 →\to 圆柱面。 空间中到定直线 ABAB 的距离等于 ρ\rho 的点, 全体构成以直线 ABAB 为轴、ρ\rho 为半径的圆柱面——这就是圆柱面的定义。 所以 PP 的轨迹是这个圆柱面与平面 α\alpha 的交线。

③ 轴与 α\alpha 斜交,所以截面是椭圆。 这一步不必背结论,两句话就能看出来:

  • 取过 AA 且垂直于轴 ABAB 的平面 β\beta。圆柱面与 β\beta 的交线是以 AA 为心、ρ\rho 为半径的圆 (垂直于轴截圆柱,截口当然是圆)。
  • 把空间沿轴的方向投影:这个投影把圆柱面映到它自己(圆柱面沿轴平移不变), 于是它把 α\alpha 上的那条交线一一映到 β\beta 上的那个圆 (每条母线与 α\alpha、β\beta 各恰交一次——因为两个平面都不与轴平行: α\alpha 与轴斜交,β\beta 与轴垂直)。
  • 而「沿一个方向把平面 α\alpha 投影到平面 β\beta」限制在两个平面之间,是一个仿射映射: 它把交线 α∩β\alpha\cap\beta 上的点原地不动,把垂直于这条交线的方向按同一个比例伸缩。 圆在一个方向上按同一比例伸缩,得到的正是椭圆。

所以轨迹是椭圆,选 B。

④ 「斜」字用在哪儿。 第 ③ 步唯一用到的条件是「轴与 α\alpha 既不垂直、也不平行」: 若 AB⊥αAB\perp\alpha,α\alpha 就成了上面那个 β\beta,截口是圆; 若 ABAB 躺在 α\alpha 里,圆柱被一个过轴的平面截开,得到两条平行的母线。 题面那三个字「斜线段」,正是把这两种退化情形挡在门外。

解法二:建系硬算,把轨迹方程解出来

怎么想到的。 不想依赖「斜截圆柱是椭圆」这类空间想象,那就把一切放进坐标里, 让方程自己说话——轨迹题最稳的退路。

① 建系。 以斜足 AA 为原点、平面 α\alpha 为 xOyxOy 平面; 设 BB 在 α\alpha 内的射影为 B′B',把 xx 轴正方向取成 AB′→\overrightarrow{AB'} 的方向。记

m=∣AB′∣>0,h=∣BB′∣>0m=|AB'|>0,\qquad h=|BB'|>0

(h>0h>0 因为 B∉αB\notin\alpha;m>0m>0 因为 ABAB 是斜线段而非垂线段,射影不与斜足重合。) 于是 B=(m,0,h)B=(m,0,h),且由直角三角形 ABB′ABB',

∣AB∣2=m2+h2|AB|^{2}=m^{2}+h^{2}

设 P=(x,y,0)P=(x,y,0)(PP 在 α\alpha 内),即 AP→=(x,y,0)\overrightarrow{AP}=(x,y,0)、AB→=(m,0,h)\overrightarrow{AB}=(m,0,h)。

② 把面积写成坐标式。 用「两边夹一角」的面积公式,再把那个角换成数量积:

S=12∣AB∣∣AP∣sin⁡∠BAP,cos⁡∠BAP=AB→⋅AP→∣AB∣∣AP∣S=\frac12|AB||AP|\sin\angle BAP, \qquad \cos\angle BAP=\frac{\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AP}}{|AB||AP|}

两式消去角(sin⁡2=1−cos⁡2\sin^{2}=1-\cos^{2}):

4S2=∣AB∣2∣AP∣2−(AB→⋅AP→)24S^{2}=|AB|^{2}|AP|^{2}-\left(\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AP}\right)^{2}

③ 代入坐标。 ∣AB∣2=m2+h2|AB|^{2}=m^{2}+h^{2},∣AP∣2=x2+y2|AP|^{2}=x^{2}+y^{2}, AB→⋅AP→=mx+0⋅y+h⋅0=mx\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AP}=mx+0\cdot y+h\cdot 0=mx:

4S2=(m2+h2)(x2+y2)−m2x2=h2x2+(m2+h2)y24S^{2}=\left(m^{2}+h^{2}\right)\left(x^{2}+y^{2}\right)-m^{2}x^{2} =h^{2}x^{2}+\left(m^{2}+h^{2}\right)y^{2}

即

h2x2+∣AB∣2y2=4S2(∗)h^{2}x^{2}+|AB|^{2}y^{2}=4S^{2} \tag{$\ast$}

④ 认出这是什么曲线。 h>0h>0、∣AB∣>0|AB|>0,两边同除 4S24S^{2}:

x2(2Sh)2+y2(2S∣AB∣)2=1\frac{x^{2}}{\left(\dfrac{2S}{h}\right)^{2}}+\frac{y^{2}}{\left(\dfrac{2S}{|AB|}\right)^{2}}=1

两个分母都是正数且不相等——因为 hh 与 ∣AB∣|AB| 是同一个直角三角形 ABB′ABB' 的直角边与斜边, h<∣AB∣h<|AB|,故 2Sh>2S∣AB∣\dfrac{2S}{h}>\dfrac{2S}{|AB|}。这是一个中心在 AA、长轴沿 AB′AB' 方向的椭圆。选 B。

⑤ 让 (∗)(\ast) 把四个选项一次讲完。 同一条式子,参数一退化就换一张脸:

  • m=0m=0(即 AB⊥αAB\perp\alpha,垂线段):∣AB∣=h|AB|=h,(∗)(\ast) 成为 x2+y2=(2Sh)2x^{2}+y^{2}=\left(\frac{2S}{h}\right)^{2},圆(选项 A);
  • h=0h=0(即 B∈αB\in\alpha,ABAB 躺在平面内):(∗)(\ast) 成为 ∣AB∣2y2=4S2|AB|^{2}y^{2}=4S^{2}, 即 y=±2S∣AB∣y=\pm\dfrac{2S}{|AB|},两条平行直线(选项 D);
  • 本题 m>0m>0 且 h>0h>0 且 h<∣AB∣h<|AB|,落在两者之间——椭圆。

解法三:不求轨迹:量两个方向再看有没有界,四个选项刷掉三个

怎么想到的。 这是选择题,四个选项的形状差别极大:两个有界(圆、椭圆)、两个无界(直线); 圆是「各个方向一样长」、椭圆是「两个方向不一样长」。那就只量两件事:有没有界、两个方向一不一样长。 这一次把 APAP 当底(动点当底),因为要比较的正是 ∣AP∣|AP|。

① 换一个底:S=12∣AP∣⋅d(B, 直线 AP)S=\dfrac12|AP|\cdot d(B,\ \text{直线 }AP)。 于是

∣AP∣=2Sd(B, 直线 AP)|AP|=\frac{2S}{d(B,\ \text{直线 }AP)}

——∣AP∣|AP| 完全由「BB 到直线 APAP 的距离」决定,而 APAP 是 α\alpha 内过 AA 的一条直线。 所以问题变成:BB 到 α\alpha 内过 AA 的直线,距离能取到多大、多小?

② 下界:不小于 hh。 设 ℓ\ell 是 α\alpha 内过 AA 的任一直线。BB 到 ℓ\ell 的距离不小于 BB 到平面 α\alpha 的距离:

d(B,ℓ)≥d(B,α)=∣BB′∣=hd(B,\ell)\geq d(B,\alpha)=|BB'|=h

(ℓ⊂α\ell\subset\alpha,而点到平面的距离是它到平面内所有点的距离的最小值。) 等号当且仅当 BB 在 ℓ\ell 上的垂足就是 B′B',即 ℓ\ell 经过 B′B'——也就是 ℓ\ell 是直线 AB′AB'。

③ 上界:不超过 ∣AB∣|AB|。 因为 A∈ℓA\in\ell,点 BB 到 ℓ\ell 的距离不超过 ∣BA∣|BA|:

d(B,ℓ)≤∣AB∣d(B,\ell)\leq|AB|

等号当且仅当 AB⊥ℓAB\perp\ell。这样的 ℓ\ell 存在:在 α\alpha 内取过 AA 且垂直于 AB′AB' 的直线 ℓ0\ell_{0}, 则 ℓ0⊥AB′\ell_{0}\perp AB';又 BB′⊥αBB'\perp\alpha 而 ℓ0⊂α\ell_{0}\subset\alpha,故 ℓ0⊥BB′\ell_{0}\perp BB'。 AB′AB' 与 BB′BB' 是平面 ABB′ABB' 内两条相交直线,由线面垂直的判定定理, ℓ0⊥\ell_{0}\perp 平面 ABB′ABB',从而 ℓ0⊥AB\ell_{0}\perp AB。

④ 于是 ∣AP∣|AP| 被夹在两个值之间。 把 ②③ 代进 ①(分母越大商越小):

2S∣AB∣≤∣AP∣≤2Sh\frac{2S}{|AB|}\leq|AP|\leq\frac{2S}{h}

两端都取得到:PP 落在直线 AB′AB' 上时 ∣AP∣=2Sh|AP|=\dfrac{2S}{h};PP 落在直线 ℓ0\ell_{0} 上时 ∣AP∣=2S∣AB∣|AP|=\dfrac{2S}{|AB|}。 注意条件只与直线 APAP 有关,与 PP 在直线的哪一侧无关,所以这两个距离各有两个点取到: 轨迹上有四个点 P1,P2P_{1},P_{2}(在直线 AB′AB' 上,∣AP∣=2Sh|AP|=\frac{2S}{h})与 P3,P4P_{3},P_{4}(在 ℓ0\ell_{0} 上,∣AP∣=2S∣AB∣|AP|=\frac{2S}{|AB|}), 两两关于 AA 对称。

⑤ 刷选项。

  • ∣AP∣≤2Sh|AP|\leq\dfrac{2S}{h} 说明轨迹有界——直线是无界的,所以「一条直线」(C)与「两条平行直线」(D)都出局。
  • 不是圆。 反证:若轨迹是某个圆,它过 P1P_{1}、P2P_{2}(关于 AA 对称,在直线 AB′AB' 上), 圆心必在 P1P2P_{1}P_{2} 的中垂线上,即过 AA 且垂直于 AB′AB' 的那条线 ℓ0\ell_{0}; 它又过 P3P_{3}、P4P_{4}(关于 AA 对称,在 ℓ0\ell_{0} 上),圆心必在 P3P4P_{3}P_{4} 的中垂线上,即直线 AB′AB'。 两条线只交于 AA,故圆心是 AA,半径同时等于 2Sh\dfrac{2S}{h} 与 2S∣AB∣\dfrac{2S}{|AB|}。 但 h<∣AB∣h<|AB|(直角三角形 ABB′ABB' 的直角边小于斜边),两者不等——矛盾。所以(A)出局。
  • 四选一,只剩 B:椭圆。

这条路没有求出轨迹方程,却把轨迹的长短轴都量出来了:2Sh\dfrac{2S}{h} 与 2S∣AB∣\dfrac{2S}{|AB|}, 与解法二解出的方程逐字相同。

三条路回头看。 解法一最短也最有解释力:一句「面积定 ⇒\Rightarrow 到 ABAB 的距离定」 就把立体几何题变成了「圆柱被斜截」,四个选项随之各归各位;代价是要对空间图形有把握。 解法二是最稳的退路,(∗)(\ast) 那条式子还顺带把 A、D 两个选项的来历解释清楚了—— 四个选项其实是同一条方程在 mm、hh 退化时的四张脸。解法三既不作图也不求方程, 只用两次「面积换底」加两个不等式,就把三个选项排除掉,而且副产品正是长短半轴。

四个选项,四种「ABAB 与 α\alpha 的关系」。 AB⊥αAB\perp\alpha →\to 圆(A);ABAB 与 α\alpha 斜交 →\to 椭圆(B); AB⊂αAB\subset\alpha →\to 两条平行直线(D);至于「一条直线」(C), 要圆柱与平面相切才会出现(平面平行于轴且与轴的距离恰为 ρ\rho), 而本题斜足 AA 既在轴上又在 α\alpha 内,α\alpha 必与轴相交,切不了。 所以四个选项不是随便凑的,它们是同一个问题在四种位置关系下的全部答案。

🕳️ 避坑

  • 「到定直线距离为定值」,平面里和空间里不是一回事。 平面内是两条平行直线, 空间里是圆柱面。本题的 PP 被关在 α\alpha 内,但距离是在空间量的, 所以要先在空间里写出圆柱面、再与 α\alpha 求交——直接套平面结论就会答成 D。
  • 面积公式里的角必须是那两条边的夹角。 S=12∣AB∣∣AP∣sin⁡∠BAPS=\frac12|AB||AP|\sin\angle BAP 里是空间角 ∠BAP\angle BAP, 不是它在平面内的射影角 ∠B′AP\angle B'AP;除非 PP 恰在直线 AB′AB' 上,两个角并不相等。 把 ∠B′AP\angle B'AP 代进去,算出的根本不是 △ABP\triangle ABP 的面积。
  • 别把 d(P,直线 AB)d(P,\text{直线 }AB) 读成 ∣PB∣|PB| 或「PP 到平面内某条线的距离」。 它是 PP 到空间直线 ABAB 的距离,垂足一般既不是 AA 也不是 BB。
  • 轨迹的中心是斜足 AA,不是射影 B′B'。 圆柱的轴过 AA,所以截口的中心也在 AA; B′B' 只决定长轴的方向,不是中心。
  • 「斜线段」三个字不能漏读。 它同时排除了 AB⊥αAB\perp\alpha(会变成圆)与 AB⊂αAB\subset\alpha (会变成两条平行直线)。题目正是靠这三个字把答案钉死在椭圆上。

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