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三棱柱 ABC-A1B1C1(2019 浙江 q19):面 A1ACC1⊥ 面 ABC,∠BAC=30∘,A1A=A1C=AC
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冷启动:题面三件套挤出一条「⊥底面」
三棱柱的底面是形状已知的直角三角形:∠ABC=90∘、∠BAC=30∘。侧面
A1ACC1 与底面垂直,而且 A1A=A1C=AC——侧面里那个三角形 AA1C 是等边三角形。
E 是 AC 的中点,F 是 A1B1 的中点。
三件事叠在一起,官方解析的第一行就逼出来了:
- 等边 △AA1C 里 E 是 AC 中点,三线合一给出 A1E⊥AC;
- 面 A1ACC1⊥ 面 ABC、交线是 AC,A1E 在面 A1ACC1 内又垂直于交线——
面面垂直的性质定理出场:A1E⊥ 底面 ABC。
这一行是两问共同的起跑线:第 (1) 问靠它把垂直关系传开,第 (2) 问靠它找垂足、建 z 轴。
离开它一步都动不了,先把它焊死。
官方解析在这里印了一句不相干的话:「等边 △AA1C 中,AE=EC,则 ∵sinB=0,∴sinA=23」——
原书排印的噪声,与上下文毫无关系。正确的衔接就是上面那步三线合一:AE=EC⇒A1E⊥AC。

解法一:综合几何法
第 (1) 问:要证线线垂直,先给它找一张「证垂直的面」
目标 EF⊥BC。EF 与 BC 异面,题面没给它们任何直接关系;但 EF 是平面
A1B1E 内的一条线(两个端点都在这个面上)。于是只要证 BC⊥ 平面 A1B1E,
线面垂直的定义立刻给出 BC 垂直于面内每一条线,EF 在内。
按线面垂直的判定定理,要的是 BC 垂直于面内两条相交的线:
- 第一条 A1E:冷启动已得 A1E⊥ 底面,而 BC 在底面内——由直线与平面垂直的定义,
A1E⊥BC。
- 第二条 A1B1:棱柱的侧面 ABB1A1 是平行四边形,故 A1B1∥AB;题面给的
∠ABC=90∘ 正是 AB⊥BC。平行线搬运垂直:A1B1⊥BC。
两条线相交于 A1(这一句不能省,判定定理的「相交」要件),所以 BC⊥ 平面
A1B1E,进而 EF⊥BC。
这条链的骨架就一句:线线垂直证不动时,退一步证线面垂直,再让定义把垂直发给面内所有的线。
第 (2) 问:把整道题压进一张垂直于 BC 的截面
平面 A1BC 与底面交于 BC。垂直于交线的截面是立体几何的老手艺:截面里能同时看见
「斜线」与「斜线在平面上的射影」,线面角就地变成截面里两条直线的夹角。这里取 M 为
BC 的中点,看截面 Π= 平面 MEA1。
第一步,猜出「F 的正投影就是 M」。 F 是 A1B1 的中点:
- A1 的投影是 E(A1E⊥ 底面);
- 棱柱的侧棱平行且相等,B1B=A1A。把
AA1 拆成 AE(在底面内)加 EA1
(垂直于底面,投影为零),所以 B1 的投影 B0=B+AE。于是
EB0=AB——
平行四边形 E-A-B-B0 的这条边,平移就是 AB;
- 中点在投影下保持中点:F 的投影是线段 EB0 的中点 E+2AB。而三角形的中位线定理说,
过 AC 中点 E 平行于 AB 的线交 BC 于其中点 M,且 EM=2AB——所以
E+2AB=M,F 的投影正是 BC 的中点 M。又 A1B1∥ 底面(它平行于
底面内的 AB),整条线段都在高度 A1E 上,所以 MF⊥ 底面、MF=A1E=3。
第二步,量一量截面里的各条线段。 △ABC 中 ∠A=30∘、
∠B=90∘,E 是 AC 中点。设 AC=23(第 (2) 问求的是角,长度比例随意设):
AB=ACcos30∘=3,BC=ACsin30∘=3,
于是 EM=2AB=23;等边 △AA1C 的高 A1E=3,故 MF=3。
ME∥AB⊥BC 且 MF⊥BC,所以 BC 垂直于截面 Π 内的两条相交直线——
BC⊥Π,平面 A1BC 过 BC,由面面垂直的判定定理,平面 A1BC⊥Π。
第三步,把线面角读成截面里的角。 E,F 都在 Π 内,所以 EF⊂Π。由面面垂直的
性质定理,Π 内垂直于交线 MA1 的直线都垂直于平面 A1BC——所以从 E、F 向平面
A1BC 作垂线,垂足 E′,F′ 都落在交线 MA1 上。斜线 EF 在平面 A1BC 上的射影就是
E′F′⊂MA1,按直线与平面所成的角的定义:
θ=直线 EF 与直线 MA1 的夹角
第四步,在截面里一步点积。 以 M 为原点,ME、MF 为两条轴(ME⊥MF,直角三角形):
E=(23,0),F=(0,3),A1=(23,3)
EF=F−E=(−23,3),MA1=(23,3)
cosθ=EFMA1EF⋅MA1=49+9⋅49+9−49+9=445427=53
两个向量一个长 (23,3) 一个长 (−23,3)——模长相同、横坐标互为相反数,
这正是「EF 与 MA1 关于竖直方向对称」的代数脸。
换个看法(顺带验算):∠EMA1 正是二面角 A1-BC-A 的平面角(ME、MA1 都垂直于 BC),
tan∠EMA1=MEMF=2。用它算两端点到平面的距离:
d(E)=23sin∠EMA1=53,d(F)=3cos∠EMA1=53,
E 在平面下方、F 在上方,sinθ=EFd(E)+d(F)=35/26/5=54——
与官方解析的中间量逐位一致,再开方得 cosθ=53。
解法二:向量法
建系:x 轴为什么取 EH
以 E 为原点,z 轴沿 EA1(冷启动已证 A1E⊥ 底面),底面里 y 轴沿 EC,
x 轴取底面内过 E 垂直于 AC 的方向、交 AB 于 H。三条轴两两垂直,坐标系成立。
设 EH=1 定比例(求的是角,缩放不影响),一路解出所有长度:
- △AEH 中直角在 E(EH⊥AC)、∠EAH=∠BAC=30∘(H 在 AB 上):
AE=tan30∘EH=3,于是 AC=23;
- 等边 △AA1C 的高 A1E=3;
- Rt△ABC:AB=ACcos30∘=3,BC=ACsin30∘=3。
坐标一个一个写(A 在 E 的 −y 方向;B 从 A 沿与 AC 成 30∘ 的方向走 3;
B1=A1+AB 平移;F 是中点):
A(0,−3,0),B(23,23,0),C(0,3,0),A1(0,0,3),B1(23,233,3),
F(43,433,3),EF=(43,433,3)
第 (1) 问:数量积为零
EF⋅BC=(43,433,3)⋅(−23,23,0)=−89+89+0=0
两个向量都非零,数量积为零即垂直:EF⊥BC。
第 (2) 问:法向量给正弦,余弦最后再开方
设平面 A1BC 的法向量 m=(x,y,z),它与面内两条不共线的向量都垂直:
m⋅A1B=0:23x+23y−3z=0,m⋅BC=0:−23x+23y=0
第二个方程给 y=3x,代回第一个得 z=x。取 x=1:m=(1,3,1)。
cos⟨EF,m⟩=EF∣m∣EF⋅m=235×56=54
方向向量与法向量的夹角,是线面角的「补角」:法向量垂直于平面,方向向量与法向量成
90∘−θ(或 90∘+θ),所以 cos⟨EF,m⟩=sinθ。
线面角 θ∈[0∘,90∘]、正弦非负,取绝对值:
sinθ=54⟹cosθ=1−(54)2=53
问的是余弦——54 是正弦,别直接交上去。
两条路的分工
| 解法一(综合几何) | 解法二(向量法) |
|---|
| 第 (1) 问 | 垂直链:线面垂直判定 + 定义 | 建系后一次数量积 |
| 第 (2) 问 | 截面 Π 里两条直线的夹角 | 法向量与方向向量夹角的绝对值 |
| 要会什么 | 中位线、二面角、投影的几何直觉 | 写坐标、解二元方程组 |
| 长处 | 算得极少,cosθ=MF2+ME2MF2−ME2 一步出 | 步骤固定,不怕想不出辅助平面 |
| 风险 | 「投影是 M」那一步想岔 | 坐标写错一个数全盘皆错;正弦余弦混用 |
考场建议:第 (1) 问用综合法写(步骤短、阅卷友好);第 (2) 问想得出截面就按解法一收尾,
一时想不出就立刻转解法二——建系是这道题的官方正路,坐标照抄式地一个个写,没有巧劲。
避坑清单
| 坑 | 错在哪 | 会算出什么 | 怎么当场发现 |
|---|
| 面面垂直直接当成线面垂直 | 面 A1ACC1⊥ 面 ABC,就以为面内任何一条线都 ⊥ 底面 | 说 AA1⊥ 底面——其实 AA1 与 AC 成 60∘ | 性质定理三件套过一遍:线在面内?垂直于交线?——只有 A1E 全中 |
| 判定定理漏了「相交」 | 证了 BC⊥A1E、BC⊥A1B1 就下结论 | 严格说推不出 BC⊥ 平面 A1B1E(两条线可能平行) | 写完补一句「且 A1B1∩A1E=A1」 |
| 线面角用法向量算成余弦 | 把 cos⟨EF,m⟩=54 直接当线面角的余弦 | 答 54,真答案是 53 | 记死:法向量与方向向量的夹角余弦 = 线面角正弦;本题问的是余弦 |
| 忘取绝对值 | sinθ=cos⟨EF,m⟩ 不带绝对值 | 法向量取反方向时得 −54 | θ∈[0∘,90∘],正弦必须非负 |
| B 的坐标写错 | 30∘ 的方向余弦搞反或符号错 | B(23,23,0) 之类的怪坐标 | 回验:∣AB∣ 应为 3,∠(AB,AC)=30∘ |
| B1 漏了高度 | 只做水平平移 B1=B+EA 忘加 A1E | B1 的 z 写 0,F 跟着全错 | 棱柱侧棱长 A1A:横平移 EA、竖抬升 A1E,两段都要 |
| F 的中点坐标取错 | 对 A1B1 的中点只取一半横坐标 | EF 分量全错,54 出不来 | 中点 = 两坐标相加除以 2,各分量独立做 |
| 正弦余弦最后一步混用 | sinθ=54 之后直接交 | 答成 54 或 1−2516 抄错 | 回读题面问的是「余弦值」;cosθ=1−sin2θ 再算一遍 |