本题导读
本题是一道立体几何与函数图象相结合的压轴信息题。考查动点在正方体对角线上移动时,其垂线段被正方体表面截得线段长度的变化规律,侧重考查空间想象能力和动态函数建模能力。
📌【题干】
Question
(2008年北京卷(理)) 如图,动点 在正方体 的对角线 上.过点 作垂直于平面 的直线,与正方体表面相交于 .设 ,,则函数 的图象大致是 ()
🔍【思路分析】
破题导航
- 确立空间几何方向:平面 是正方体的对角面,在底面 中,,且 ,因此垂直于平面 的直线方向必然平行于 (或 )。
- 分析动态截线段:当点 从 沿对角线 运动到 的过程中,过 且平行于 的直线在正方体内部水平穿过。
- 定量或定性推导:利用正方体的对称性,运动前半段与后半段具有完全的对称性。在水平面上,线段 的长度与高度 以及水平投影呈线性比例关系,从而确定其属于分段的一元一次函数。
✅【答案】
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B
✍【详细解析】
Abstract
设正方体的棱长为 ,则对角线 ,所以 。 在正方体中,因为 且 ,所以 平面 。 因此,过点 垂直于平面 的直线必然平行于 (或 )。 即线段 始终处于与 平行的方向上。
当点 在 的中点(即正方体的中心)时,直线 恰好在正方体的中心截面上,此时 的两个端点分别为 和 的投影?不是,其水平方向平行于 ,通过中心时其长度达到最大值,即为对角线 。 当点 在端点 或 时,直线退化为点,长度 。
为了得到精确的函数关系,引入空间直角坐标系或利用平面截线性质: 由于正方体各个面都是线性的平面,当点 匀速沿直线 移动时,直线 的端点在正方体的平行侧面上(或棱上)也是匀速线性滑动的。 在 从 运动到对角线中点的过程中(即 ),线段 的长度 随着高度和宽度的增加呈线性正比例递增,解析式为一元一次函数 ; 由对称性,在后半段(即 ), 呈线性递减,解析式为 。 整个运动过程中的函数 是一个轴对称的“折线形”图象(三角形结构),不含有曲线特征,也没有中间恒定不变的平台。 对照选项,只有(B)符合折线形(等腰三角形)特征。 故选 (B)。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:线面垂直的性质定理(转化出平行方向 ),动态几何体截线段长度的函数建模。
- 核心方法:特征位置定性分析与线性趋势判定法。
- 避坑指南:容易错误凭借直觉选择含有圆弧曲线的选项(C或D),必须注意到正方体的所有边界表面全为平面,其交线必然产生线性的距离变化,从而对应一元一次(直线段)函数图象。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题是立体几何的经典投影与截面轨迹题,考查了三维空间图形向二维函数坐标系的投影转换。
- 结论推广: 若在多面体(如长方体、正棱锥)中沿着某条直线路径做平行于某特定截面的截线,其长度或截面积的变化函数,在不跨越顶点边界的连续区域内,均表现为一元一次或一元二次的多项式函数,其对应图象必然由直线段或抛物线弧构成。
🔗【关联脉络】
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