浙江 2012 · 数学 q10

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2012 · 数学 q10 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 已知矩形 ABCDABCD,AB=1AB = 1,BC=2BC = \sqrt{2}。将 ΔABD\Delta ABD 沿矩形的对角线 BDBD 所在的直线进行翻折,在翻折过程中,
    A. 存在某个位置,使得直线 ACAC 与直线 BDBD 垂直
    B. 存在某个位置,使得直线 ABAB 与直线 CDCD 垂直
    C. 存在某个位置,使得直线 ADAD 与直线 BCBC 垂直
    D. 对任意位置,三对直线“ACAC 与 BDBD”,“ABAB 与 CDCD”,“ADAD 与 BCBC”均不垂直

非选择题部分(共100分)

答案

B

本题的知识树

5 概念 · 2 公式 · 2 定理 · 1 题型 · 3 套路 · 2 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)

只有一对能垂直——两对被恒等式钉死,AB⋅CDAB\cdot CD 在 60∘60^{\circ} 处穿过零 · 最终答案:B

转着看 · 换个机位再判断

矩形 ABCDABCD(AB=1AB = 1,BC=2BC = \sqrt{2},BD=3BD = \sqrt{3})沿 BDBD 翻折到 θ=60∘\theta = 60^\circ:两个垂足 HH、KK 不动、把 BDBD 三等分·AC⃗⋅BD⃗\vec{AC}\cdot\vec{BD} 恒为 11、AD⃗⋅BC⃗\vec{AD}\cdot\vec{BC} 恒正,只有 AB⊥CDAB \perp CD 能成立 ⟹ 官方答案 B(故「均不垂直」那项 D 也被否)

机位自由视角

拖动旋转 · 滚轮缩放(触屏双指)

冷启动:折的是一个自由度,判的是四面体的三对对棱

AB=1AB=1、BC=2BC=\sqrt2,于是 CD=AB=1CD=AB=1、AD=BC=2AD=BC=\sqrt2,对角线 BD=1+2=3BD=\sqrt{1+2}=\sqrt3。

沿 BDBD 折起 △ABD\triangle ABD 时,BB、CC、DD 一动不动,只有 AA 在动。折起后 AA、BB、CC、DD 是一个四面体的四个顶点,而选项点出的三对直线

选项点出的那一对在四面体里的身份
AACAC 与 BDBD一对对棱
BABAB 与 CDCD一对对棱
CADAD 与 BCBC一对对棱

正是三对对棱——不重不漏,四面体只有这三对。D 说的是「三对都不垂直」,恰好是 A、B、C 的否定。 所以答案唯一,而且只要交出一个能垂直的位置,D 自动出局。

哪些量在动。 折起时:

  • BDBD 上的点不动,所以 BB、DD 不动,△CBD\triangle CBD 整块不动;
  • AA 到直线 BDBD 的距离不变,AA 在 BDBD 上的垂足(记作 HH)也不动;
  • 于是六条棱里五条长度锁死:AB=CD=1AB=CD=1、AD=BC=2AD=BC=\sqrt2、BD=3BD=\sqrt3。只有 ACAC 在变。

一个自由度,用一个角来记:设二面角 A-BD-CA\text{-}BD\text{-}C 为 θ\theta。原矩形摊平时 AA、CC 分居 BDBD 两侧, θ=180∘\theta=180^{\circ};一直折到 △ABD\triangle ABD 与 △CBD\triangle CBD 贴合(AA 落回底面、与 CC 同侧),θ→0∘\theta\to0^{\circ}。 整个翻折过程就是 θ\theta 从 180∘180^{\circ} 连续降到 0∘0^{\circ}。

两个垂足的位置后面要反复用,先算掉。△ABD\triangle ABD 里 ∠BAD=90∘\angle BAD=90^{\circ}, 故 cos⁡∠ABD=ABBD=13\cos\angle ABD=\dfrac{AB}{BD}=\dfrac{1}{\sqrt3},于是

BH=ABcos⁡∠ABD=33,AH=AB2−BH2=1−13=63BH=AB\cos\angle ABD=\frac{\sqrt3}{3}, \qquad AH=\sqrt{AB^{2}-BH^{2}}=\sqrt{1-\tfrac13}=\frac{\sqrt6}{3}

△CBD\triangle CBD 与 △ABD\triangle ABD 全等(CD=ABCD=AB、CB=ADCB=AD、BDBD 公用),把 CC 在 BDBD 上的垂足记作 KK, 同理 DK=33DK=\dfrac{\sqrt3}{3}、CK=63CK=\dfrac{\sqrt6}{3}。BB、HH、KK、DD 在 BDBD 上依次排开,HK=BD−BH−DK=3−23=33HK=BD-BH-DK=\sqrt3-\dfrac{2}{\sqrt3}=\dfrac{\sqrt3}{3},所以

BH=HK=KD=33BH=HK=KD=\frac{\sqrt3}{3}

——HH、KK 把 BDBD 恰好三等分。 这个巧合来自 BC2=2AB2BC^{2}=2AB^{2},是本题所有数字好看的根源。

「垂直」怎么判。 两条直线(相交或异面)垂直 ⇔\Leftrightarrow 方向向量的数量积为 00。 所以三条选项就是三个同样的问题:AC→⋅BD→\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}、 AB→⋅CD→\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}、AD→⋅BC→\overrightarrow{AD}\cdot\overrightarrow{BC} 各自能不能取到 00。

两幅图 + 两栏字的教学图。左上「① 翻折前:H、K 把 BD 切成三段」:矩形 ABCD 的四条边用灰线画出,B 在左下、A 在左上、C 在右下、D 在右上,四个顶点各一个黑点;左边一条灰色双箭头标 AB=1,下边一条灰色双箭头标 BC=\sqrt{2};黑色粗实线是对角线 BD(从左下的 B 拉到右上的 D),末端标 BD;蓝色虚线从 A 垂到 BD 上的 H、又从 C 垂到 BD 上的 K,两个垂足各画一个直角记号、各点一个蓝色实心点;B、H、K、D 在对角线上依次排开,把它切成三段等长的部分;矩形上方一行注「翻折时 H、K 不动,A 绕 H 转」。右上「② 三个数量积随翻折角 \theta 变」:横轴是 \theta,刻度 0、60、120、180,纵轴刻度从 -1.0 到 2.5、每 0.5 一格,浅色网格。三条曲线只有一条是绿的(能垂直的那一对),另两条是红的(不能垂直的那两对):红色水平线压在 y=1 上,标 A.AC\cdot BD;红色曲线从 \theta=0 处的约 0.67 一路升到 \theta=180 处的 2、全程在横轴上方,标 C.AD\cdot BC;绿色曲线从 \theta=0 处的约 0.33 一路降到 \theta=180 处的 -1,在 \theta=60^{\circ} 穿过横轴(穿越处一个绿色实心点标 60^{\circ}),标 B.AB\cdot CD,旁注「只有这一条穿过 0」;那两条会动的曲线在 \theta=0 处画成空心端点——折到贴合是取不到的极限位置。左下文字栏「每个向量拆成「沿 BD」+「垂直 BD」:」:交叉项全为 0,剩下两段各自相乘;BH=HK=KD=0.577:BD 恰被三等分;于是每个数量积 = 常数 + 带 \cos\theta 的项,沿 BD 那段是常数、垂直那段带 \cos\theta;BD=1.732,\theta 是二面角 A-BD-C。右下文字栏「三对直线逐对判:」四行逐条给判定——A.恒等于 1,与 \theta 无关(红);B.跨过 0:-1.00\sim0.33(绿);C.恒正:0.67\sim2.00(红);D.三对都不垂直——假(红);下面三行小字:AB\cdot CD+AD\cdot BC=AC\cdot BD=1、(四点恒等式:一条降、另一条必升)、空心端点:\theta\to0^{\circ} 是极限,取不到;末行绿字结论「对的是 B」。

解法一:摆到坐标轴上硬算——BDBD 放 xx 轴,AA 绕垂足转 θ\theta

不动的东西已经够多了:BB、DD、CC、HH、KK 全程不动。就拿它们建系——BDBD 当 xx 轴, △CBD\triangle CBD 所在的那个平面当 xOyxOy 平面。按冷启动算出的那几段长度:

B(0,0,0),H ⁣(33,0,0),K ⁣(233,0,0),D(3,0,0),C ⁣(233,63,0)B(0,0,0),\quad H\!\left(\tfrac{\sqrt3}{3},0,0\right),\quad K\!\left(\tfrac{2\sqrt3}{3},0,0\right),\quad D(\sqrt3,0,0),\quad C\!\left(\tfrac{2\sqrt3}{3},\tfrac{\sqrt6}{3},0\right)

AA 在过 HH 且垂直 BDBD 的那个平面里绕 HH 转,半径 AH=63AH=\dfrac{\sqrt6}{3},转角就是二面角 θ\theta:

A ⁣(33, 63cos⁡θ, 63sin⁡θ)A\!\left(\frac{\sqrt3}{3},\ \frac{\sqrt6}{3}\cos\theta,\ \frac{\sqrt6}{3}\sin\theta\right)

(校验:θ=180∘\theta=180^{\circ} 时 A ⁣(33,−63,0)A\!\left(\frac{\sqrt3}{3},-\frac{\sqrt6}{3},0\right) 与 CC 分居 xx 轴两侧、四点共面,正是原矩形。)

三个数量积逐个算。A:

AC→=(33, 63(1−cos⁡θ), −63sin⁡θ),BD→=(3,0,0)\overrightarrow{AC}=\left(\frac{\sqrt3}{3},\ \frac{\sqrt6}{3}(1-\cos\theta),\ -\frac{\sqrt6}{3}\sin\theta\right), \qquad \overrightarrow{BD}=(\sqrt3,0,0) AC→⋅BD→=3⋅33=1\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=\sqrt3\cdot\frac{\sqrt3}{3}=1

后两个分量被 BD→\overrightarrow{BD} 的两个零分量吃掉了,θ\theta 根本没进来。恒为 11,A 假。

B:

AB→=(−33, −63cos⁡θ, −63sin⁡θ),CD→=(33, −63, 0)\overrightarrow{AB}=\left(-\frac{\sqrt3}{3},\ -\frac{\sqrt6}{3}\cos\theta,\ -\frac{\sqrt6}{3}\sin\theta\right), \qquad \overrightarrow{CD}=\left(\frac{\sqrt3}{3},\ -\frac{\sqrt6}{3},\ 0\right) AB→⋅CD→=−13+23cos⁡θ\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}=-\frac13+\frac23\cos\theta

θ\theta 从 180∘180^{\circ} 降到 0∘0^{\circ},cos⁡θ\cos\theta 从 −1-1 连续升到 11(不含),取值扫过 [−1,13)\left[-1,\frac13\right), 里面有 00:cos⁡θ=12\cos\theta=\frac12,即 θ=60∘\theta=60^{\circ}。B 真,那个位置上 AB⊥CDAB\perp CD。

C:

AD→=(233, −63cos⁡θ, −63sin⁡θ),BC→=(233, 63, 0)\overrightarrow{AD}=\left(\frac{2\sqrt3}{3},\ -\frac{\sqrt6}{3}\cos\theta,\ -\frac{\sqrt6}{3}\sin\theta\right), \qquad \overrightarrow{BC}=\left(\frac{2\sqrt3}{3},\ \frac{\sqrt6}{3},\ 0\right) AD→⋅BC→=43−23cos⁡θ⩾43−23=23>0\overrightarrow{AD}\cdot\overrightarrow{BC}=\frac43-\frac23\cos\theta\geqslant\frac43-\frac23=\frac23>0

恒正,C 假。 B 已经真了,D 随之假。选 B。

解法二:不建系——每个向量沿 BDBD 拆成两段,交叉项全是零

坐标其实是多余的:三个数量积都跨越「动的那一半」与「不动的那一半」, 而沿 BDBD 的分量全程不动、垂直 BDBD 的分量只是绕轴转。那就照这两个方向把每个向量劈开。

记 e⃗\vec e 为 BDBD 方向的单位向量,BD→=3 e⃗\overrightarrow{BD}=\sqrt3\,\vec e。

B 这一对。 AB→=AH→+HB→\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{AH}+\overrightarrow{HB},CD→=CK→+KD→\overrightarrow{CD}=\overrightarrow{CK}+\overrightarrow{KD}。展开四项, 两个交叉项 AH→⋅KD→\overrightarrow{AH}\cdot\overrightarrow{KD} 与 HB→⋅CK→\overrightarrow{HB}\cdot\overrightarrow{CK} 都是「垂直 BDBD 的」点「沿 BDBD 的」,等于 00。剩下两项:

HB→⋅KD→=(−33e⃗)⋅(33e⃗)=−13\overrightarrow{HB}\cdot\overrightarrow{KD}=\left(-\frac{\sqrt3}{3}\vec e\right)\cdot\left(\frac{\sqrt3}{3}\vec e\right)=-\frac13

(HB→\overrightarrow{HB} 指向 BB、KD→\overrightarrow{KD} 指向 DD,反向,所以带负号;这一项与 θ\theta 无关。)

AH→⋅CK→=AH⋅CKcos⁡θ=63⋅63cos⁡θ=23cos⁡θ\overrightarrow{AH}\cdot\overrightarrow{CK}=AH\cdot CK\cos\theta=\frac{\sqrt6}{3}\cdot\frac{\sqrt6}{3}\cos\theta=\frac23\cos\theta

(二面角 θ\theta 是从轴指向外侧的两条射线 HA→\overrightarrow{HA}、KC→\overrightarrow{KC} 的夹角; 把两条同时反向,夹角不变,所以 AH→\overrightarrow{AH} 与 CK→\overrightarrow{CK} 的夹角也是 θ\theta。)

AB→⋅CD→=−13+23cos⁡θ\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}=-\frac13+\frac23\cos\theta

C 这一对。 AD→=AH→+HD→\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{AH}+\overrightarrow{HD},BC→=BK→+KC→\overrightarrow{BC}=\overrightarrow{BK}+\overrightarrow{KC},交叉项照样全灭:

HD→⋅BK→=233⋅233=43(同向),AH→⋅KC→=−23cos⁡θ\overrightarrow{HD}\cdot\overrightarrow{BK}=\frac{2\sqrt3}{3}\cdot\frac{2\sqrt3}{3}=\frac43 \quad(\text{同向}), \qquad \overrightarrow{AH}\cdot\overrightarrow{KC}=-\frac23\cos\theta

(这次配的是 KC→\overrightarrow{KC} 而不是 CK→\overrightarrow{CK},只反了一条,夹角变成补角,cos⁡\cos 翻号。)

AD→⋅BC→=43−23cos⁡θ\overrightarrow{AD}\cdot\overrightarrow{BC}=\frac43-\frac23\cos\theta

A 这一对更省。 AC→=AH→+HK→+KC→\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{AH}+\overrightarrow{HK}+\overrightarrow{KC}, 首尾两段都垂直 BDBD,点 BD→\overrightarrow{BD} 全为 00,只剩中间那段:

AC→⋅BD→=HK→⋅BD→=33⋅3=1\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=\overrightarrow{HK}\cdot\overrightarrow{BD}=\frac{\sqrt3}{3}\cdot\sqrt3=1

HH、KK 都不动 ⇒\Rightarrow HK→\overrightarrow{HK} 不动 ⇒\Rightarrow 这个数量积是常数。写成一般形式更清楚: AC→⋅BD→=HK⋅BD=BC2−AB2\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=HK\cdot BD=BC^{2}-AB^{2}。

三个式子都长成 A+Bcos⁡θA+B\cos\theta,值域一眼可见(θ\theta 从 180∘180^{\circ} 降到 0∘0^{\circ},cos⁡θ∈[−1,1)\cos\theta\in[-1,1)):

选项数量积值域含 00?
A11{1}\{1\}否
B−13+23cos⁡θ-\frac13+\frac23\cos\theta[−1, 13)\left[-1,\ \frac13\right)是,θ=60∘\theta=60^{\circ}
C43−23cos⁡θ\frac43-\frac23\cos\theta(23, 2]\left(\frac23,\ 2\right]否

选 B。

解法三:四点公式——三个数量积全由一条 ACAC 决定

冷启动里已经数清了:翻折时六条棱有五条不变,只有 ACAC 在动。 既然如此,最省的做法是把三个数量积全部写成 ACAC 的函数。四点公式正好干这件事—— 对任意四点,

XY→⋅ZW→=12(XW2+YZ2−XZ2−YW2)\overrightarrow{XY}\cdot\overrightarrow{ZW}=\tfrac12\left(XW^{2}+YZ^{2}-XZ^{2}-YW^{2}\right)

右边只出现四条连线的长度,夹角、坐标、位置全部消失。三对对棱各用一次:

AC→⋅DB→=12(AB2+CD2−AD2−CB2)=12(1+1−2−2)=−1\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{DB}=\tfrac12\left(AB^{2}+CD^{2}-AD^{2}-CB^{2}\right)=\tfrac12(1+1-2-2)=-1 AB→⋅CD→=12(AD2+BC2−AC2−BD2)=12(2+2−AC2−3)=1−AC22\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}=\tfrac12\left(AD^{2}+BC^{2}-AC^{2}-BD^{2}\right)=\tfrac12\left(2+2-AC^{2}-3\right)=\frac{1-AC^{2}}{2} AD→⋅BC→=12(AC2+BD2−AB2−DC2)=12(AC2+3−1−1)=1+AC22\overrightarrow{AD}\cdot\overrightarrow{BC}=\tfrac12\left(AC^{2}+BD^{2}-AB^{2}-DC^{2}\right)=\tfrac12\left(AC^{2}+3-1-1\right)=\frac{1+AC^{2}}{2}

(三条相加:1−AC22+(−1)+1+AC22=0\frac{1-AC^{2}}{2}+(-1)+\frac{1+AC^{2}}{2}=0。三对对棱的数量积之和恒为零, 这是四点公式的直接推论,可以当校验用——也解释了为什么 B 与 C 一个降一个升:它们的和恒为 11。)

于是三条选项全化成关于一个正数 ACAC 的判断:

  • A:AC→⋅BD→=−AC→⋅DB→=1≠0\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=-\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{DB}=1\neq0, 与位置无关。恒不垂直,A 假。
  • C:1+AC22⩾12>0\dfrac{1+AC^{2}}{2}\geqslant\dfrac12>0。恒不垂直,C 假。
  • B:AB→⋅CD→=0⇔AC=1\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}=0\Leftrightarrow AC=1。

所以整道题只剩一个问题:翻折过程中 ACAC 能不能等于 11?

ACAC 随 θ\theta 连续变化,看两头:

  • θ=180∘\theta=180^{\circ}(原矩形):ACAC 是另一条对角线,AC=BD=3>1AC=BD=\sqrt3>1;
  • θ→0∘\theta\to0^{\circ}(△ABD\triangle ABD 折到与 △CBD\triangle CBD 贴合):AA 落回底面、与 CC 同侧, 且 AA、CC 到 BDBD 的距离相等(都是 63\frac{\sqrt6}{3}),于是 ACAC 平行于 BDBD, 长度就是两个垂足之间那一段:AC→HK=33≈0.577<1AC\to HK=\frac{\sqrt3}{3}\approx0.577<1。

令 F(θ)=AC2−1F(\theta)=AC^{2}-1。FF 连续,F(180∘)=3−1=2>0F(180^{\circ})=3-1=2>0;由 AC→33AC\to\frac{\sqrt3}{3} 知存在 θ0>0\theta_{0}>0 使 F(θ0)<0F(\theta_{0})<0。零点存在定理给出 θ∗∈(θ0,180∘)\theta^{*}\in\left(\theta_{0},180^{\circ}\right) 使 AC=1AC=1——那个位置上 AB⊥CDAB\perp CD。B 真,D 随之假。

答案 B。(与前两条解法对照,不参与本解法的推理:那两条给出 AC2=13+43(1−cos⁡θ)AC^{2}=\frac13+\frac43(1-\cos\theta), AC=1AC=1 正对应 θ∗=60∘\theta^{*}=60^{\circ}。)

三条提醒

  1. 旋转半径是点到轴的距离,不是到端点的距离。 AA 绕的是直线 BDBD, 半径是 AH=63AH=\frac{\sqrt6}{3},不是 AB=1AB=1、也不是 AD=2AD=\sqrt2。取错这个数, cos⁡θ\cos\theta 前面的系数就错,B 的零点会跑到别的角度上去。CC 那边同理,CK=63CK=\frac{\sqrt6}{3},不是 CD=1CD=1。

  2. 「存在某个位置」不能靠试几个位置否掉。 摊平时(θ=180∘\theta=180^{\circ})三对都不垂直; 折到两个面互相垂直时(θ=90∘\theta=90^{\circ})AB→⋅CD→=−13\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}=-\frac13,还是不垂直。 可答案偏偏在 θ=60∘\theta=60^{\circ}——既不是端点、也不是直角。 要否定存在性,只能把待判的量写成 θ\theta 的函数看值域;要肯定,交出一个位置就够。

  3. 真能一口否掉的,是那个与 θ\theta 无关的常数。 AC→⋅BD→=BC2−AB2=1\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{BD}=BC^{2}-AB^{2}=1,与折到哪儿毫无关系—— 这不是「试不出来」,是恒等式。顺着它还能看出题目为什么故意取 AB≠BCAB\neq BC: 矩形一旦是正方形,这个常数就是 00,A 反而变成恒成立。

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