111學測數學A多選第11題詳解

📅 111 年 📝 學測數學A 第 11 題 題型:多選 課綱:108課綱

答案與本題考點

答案:$(2)(3)(4)$

本題考點:四面體、空間向量與空間中的直線與平面、數形結合、坐標化

題目

下圖為一個積木的示意圖,其中 $ABC$ 為一直角三角形,$\angle ACB=90^{\circ}$,$\overline{AC}=5$、$\overline{BC}=6$,且 $ADEB$ 與 $ADFC$ 皆為矩形。試選出正確的選項。
積木示意圖
積木示意圖
  1. 將此積木沿平面 $ACE$ 切下,可切得兩個四面體
  2. 平面 $ADEB$ 與 $ADFC$ 所夾銳角大於 $45^{\circ}$
  3. $\angle CEB<\angle AEB$
  4. $\tan\angle AEC<\sin\angle CEB$
  5. $\angle CEB<\angle AEC$
四面體空間向量與空間中的直線與平面
解題手法數形結合坐標化〔AI 推測〕

答案

答案

$(2)(3)(4)$

答案取自 PDF 答案或評分參考頁。

詳解

詳解
建立空間坐標系:令 $C=(0,0,0)$,$A=(5,0,0)$,$B=(0,6,0)$,則 $\overline{AC}=5$,$\overline{BC}=6$,且 $\angle ACB=90^\circ$。 因為 $ADEB$ 與 $ADFC$ 皆為矩形,所以 $\overline{AD}\perp\overline{AB}$ 且 $\overline{AD}\perp\overline{AC}$。由 $\overline{AD}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{AC}=0$ 與 $\overline{AD}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{AB}=0$ 可知 $\overline{AD}$ 同時垂直於 $x$ 軸與 $xy$ 平面上的 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB}=(-5,6,0)$,因此 $\overline{AD}$ 平行於 $z$ 軸。設 $D=(5,0,h)$,其中 $h>0$。 由矩形 $ADFC$:$\overset{\large\rightharpoonup}{CF}=\overset{\large\rightharpoonup}{AD}=(0,0,h)$,所以 $F=C+(0,0,h)=(0,0,h)$。 由矩形 $ADEB$:$\overset{\large\rightharpoonup}{BE}=\overset{\large\rightharpoonup}{AD}=(0,0,h)$,所以 $E=B+(0,0,h)=(0,6,h)$。 以下逐項分析: 選項 $(1)$:平面 $ACE$ 通過 $C(0,0,0)$、$A(5,0,0)$、$E(0,6,h)$。其法向量為 $\overset{\large\rightharpoonup}{CA}\times\overset{\large\rightharpoonup}{CE}=(5,0,0)\times(0,6,h)=(0,-5h,30)$,平面方程式為 $30z=5hy$,即 $z=\frac{h}{6}y$。 檢驗各點:$B(0,6,0)$ 代入得 $z_B=0$,而 $\frac{h}{6}\cdot 6=h\neq 0$,$B$ 不在平面上。$D(5,0,h)$ 代入得 $z_D=h$,而 $\frac{h}{6}\cdot 0=0\neq h$,$D$ 不在平面上。$F(0,0,h)$ 同樣不在平面上。 平面 $ACE$ 將立體分成兩部分:一側含 $\{C,A,E,B\}$($4$ 個頂點),另一側含 $\{C,A,E,D,F\}$($5$ 個頂點)。因為後者有 $5$ 個頂點,不是四面體(四面體恰有 $4$ 個頂點),所以 $(1)$ 錯誤。 選項 $(2)$:平面 $ADEB$ 的法向量為 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AD}=(-5,6,0)\times(0,0,h)=(6h,5h,0)$。平面 $ADFC$ 的法向量為 $\overset{\large\rightharpoonup}{AC}\times\overset{\large\rightharpoonup}{AD}=(-5,0,0)\times(0,0,h)=(0,5h,0)$。 兩平面夾角 $\phi$ 的餘弦為 $$\cos\phi=\frac{|(6h,5h,0)\cdot(0,5h,0)|}{|(6h,5h,0)|\cdot|(0,5h,0)|}=\frac{25h^2}{\sqrt{61}\,h\cdot 5h}=\frac{5}{\sqrt{61}}$$ 因為 $\cos\phi=\frac{5}{\sqrt{61}}<\frac{1}{\sqrt{2}}=\cos 45^\circ$,且銳角範圍內餘弦函數嚴格遞減,所以 $\phi>45^\circ$。$(2)$ 正確。 選項 $(3)$:比較 $\angle CEB$ 與 $\angle AEB$(皆以 $E$ 為頂點)。 $$\begin{aligned} \cos\angle CEB&=\frac{\overset{\large\rightharpoonup}{EC}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{EB}}{|\overset{\large\rightharpoonup}{EC}|\cdot|\overset{\large\rightharpoonup}{EB}|} =\frac{(0,-6,-h)\cdot(0,0,-h)}{\sqrt{36+h^2}\cdot h}=\frac{h}{\sqrt{36+h^2}}\\[4pt] \cos\angle AEB&=\frac{\overset{\large\rightharpoonup}{EA}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{EB}}{|\overset{\large\rightharpoonup}{EA}|\cdot|\overset{\large\rightharpoonup}{EB}|} =\frac{(5,-6,-h)\cdot(0,0,-h)}{\sqrt{61+h^2}\cdot h}=\frac{h}{\sqrt{61+h^2}} \end{aligned}$$ 因為 $\sqrt{36+h^2}<\sqrt{61+h^2}$,所以 $\cos\angle CEB>\cos\angle AEB$。兩角皆為銳角(餘弦為正),因此 $\angle CEB<\angle AEB$。$(3)$ 正確。 選項 $(4)$:比較 $\tan\angle AEC$ 與 $\sin\angle CEB$。 $$\begin{aligned} \cos\angle AEC&=\frac{\overset{\large\rightharpoonup}{EA}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{EC}}{|\overset{\large\rightharpoonup}{EA}|\cdot|\overset{\large\rightharpoonup}{EC}|} =\frac{5\cdot 0+(-6)\cdot(-6)+(-h)\cdot(-h)}{\sqrt{61+h^2}\cdot\sqrt{36+h^2}}=\frac{36+h^2}{\sqrt{(61+h^2)(36+h^2)}}\\[4pt] |\overset{\large\rightharpoonup}{EA}\times\overset{\large\rightharpoonup}{EC}|&=\bigl|(5,-6,-h)\times(0,-6,-h)\bigr| =\bigl|(6h-6h,\,-(-5h),\,-30)\bigr|=\sqrt{0+25h^2+900}=5\sqrt{h^2+36} \end{aligned}$$ 因此 $$\tan\angle AEC=\frac{|\overset{\large\rightharpoonup}{EA}\times\overset{\large\rightharpoonup}{EC}|}{\overset{\large\rightharpoonup}{EA}\cdot\overset{\large\rightharpoonup}{EC}} =\frac{5\sqrt{h^2+36}}{36+h^2}=\frac{5}{\sqrt{h^2+36}}$$ $$\sin\angle CEB=\sqrt{1-\cos^2\angle CEB}=\sqrt{1-\frac{h^2}{36+h^2}}=\frac{6}{\sqrt{h^2+36}}$$ 因為 $5<6$,所以 $\tan\angle AEC<\sin\angle CEB$。$(4)$ 正確。 選項 $(5)$:比較 $\angle CEB$ 與 $\angle AEC$。 $$\cos\angle AEC=\frac{36+h^2}{\sqrt{(61+h^2)(36+h^2)}}=\sqrt{\frac{36+h^2}{61+h^2}}$$ 比較 $\cos\angle CEB$ 與 $\cos\angle AEC$: $$\cos\angle CEB>\cos\angle AEC\iff\frac{h}{\sqrt{36+h^2}}>\sqrt{\frac{36+h^2}{61+h^2}} \iff h^2(61+h^2)>(36+h^2)^2$$ 展開得 $61h^2+h^4>1296+72h^2+h^4$,即 $0>1296+11h^2$,這不可能成立(因為右式恆正)。所以 $\cos\angle CEB<\cos\angle AEC$。兩角皆為銳角,因此 $\angle CEB>\angle AEC$。$(5)$ 錯誤。 故選 $(2)(3)(4)$。

題目來源:民國111年學測數學A 第11題(來源PDF第4頁)

資料版本:2026-07-17(commit e3f5a492)

校對狀態:人工抽查——本卷試題經人工抽樣檢查;非逐題逐字校對。

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引用本站:大考雷達站,〈111學測數學A多選第11題詳解〉,資料版本 2026-07-17,https://twmath.com/questions/111_02A_q11.html

解析狀態:本解析由 AI 輔助產出,未經人工審核,非官方詳解,僅供學習參考。如與官方公告不同,請以官方公告為準。