如图,在长方体 $ABCD-{A_1}{B_1}{C_1}{D_1}$ 中,$AB=11$,$AD=7$,$A{A_1}=12$,一质点从顶点 $A$ 射向点 $E\left(4,3,12\right)$.遇长方体的面反射(反射服从光的反射原理),将第 $i-1$ 次到第 $i$ 次反射点之间的线段记为 ${L_i}\left(i=2,3,4\right)$,${L_1}=AE$,将线段 ${L_1}$,${L_2}$,${L_3}$,${L_4}$ 竖直放置在同一水平线上,则大致的图形是 \((\qquad)\)
A:
B:
C:
D:
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
C
【解析】
本题考查立体几何的反射问题,既可按照反射的定义,在正方体内部研究直线的反射,也可以把正方体进行平移、拓展成一个更大的棱柱,只研究直线所经过的平面.法一:
先作出过三点 $A,A_1,E$ 的截面 $AA_1H_1H$,如图:由题意知,第一、二次反射线都在平面 $AA_1H_1H$ 上,先在矩形 $A_1B_1C_1D_1$ 中计算出 $H_1$ 点的位置,
知 $A_1E=5$,从而有 $\tan\angle EA_1B_1=\dfrac 34=\dfrac{A_1D_1}{D_1H_1}$,故 $D_1H_1=\dfrac{28}{3}<11$,故 $A_1H_1=\dfrac{35}{3}$,$H_1$ 在边 $C_1D_1$ 上.
在矩形 $AHH_1A_1$ 中分析 $L_1,L_2,L_3$,如图,$L_1=AE=EF=L_2=13$,$L_3=FG$.
由 $\dfrac{GH}{FH}=\dfrac{12}{5}=\dfrac{GH}{\frac{35}{3}-10}$ 得 $GH=4$,从而 $L_3=\dfrac{13}{3}$.
我们来分析最后一张反射线,即光线 $FG$ 被平面 $CDD_1C_1$ 反射后的光线位置.
首先,我们作出 $GG'\perp 平面CDD_1C_1$,交平面 $ABB_1A_1$ 于点 $G'$.
反射光线一定在由 $FGG'$ 构成的平面内,作出该截面,为矩形 $MM'L'L$,如图:在各个截面内进行计算,要比较 $L_3$ 与 $L_4$ 的大小,只需比较 $GL$ 与 $MG$ 的大小,
也只需比较 $LH$ 与 $CH$ 的大小,而 $LH=\dfrac 43$,$CH=\dfrac 53$,从而 $L_3<L_4$.
法二:
光线发出的方向向量为 $\left(4,3,12\right)$,不妨设光线速度不变,为 $13$,则线段长度比等于时间比.
在不考虑反射的情况下,则经过时间 $t_1$,光线到达点的坐标为 $\left(4t_1,3t_1,12t_1\right)$.又点 $C_1$ 的坐标为 $\left(11,7,13\right)$,故当某个坐标分量达到 $0$ 或 $C_1$ 点坐标对应的分量时,光线会进行反射.
当 $t_1=1$ 时,有 $12t_1=12$,此时光线到达长方体的上平面,坐标为 $\left(4,3,12\right)$,并进行反射;
再经过时间 $t_2$ 时,光线到达点的坐标为 $\left(4+4t_2,3+3t_2,12-12t_2\right)$,当 $t_2=1$ 时,光线到达下底面,坐标为 $\left(8,6,0\right)$;
再经过 $t_3$ 时,光线到达点的坐标为 $\left(8+4t_3,6+3t_3,12t_3\right)$.于是 $t_3=\dfrac 13$ 时,光线到达后平面,坐标为 $\left(\dfrac{28}{3},7,4\right)$;
同理,$\dfrac{28}{3}+4t_4=11$,即 $t_4=\dfrac{5}{12}$ 时,光线遇到右平面.
由 $t_3<t_4=t_1=t_2$ 知,$L_3<L_4<L_1=L_2$.
以上过程可以通过下面的示意图理解:
题目 答案 解析 备注
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