如图,$\triangle BCD$ 与 $\triangle MCD$ 都是边长为 $ 2 $ 的正三角形,平面 $MCD \perp 平面BCD$,$AB \perp 平面 BCD$,$AB = 2\sqrt 3 $.
【难度】
【出处】
2010年高考江西卷(文)
【标注】
  1. 求直线 $AM$ 与平面 $BCD$ 所成的角的大小;
    标注
    答案
    解析
    解法一:
    如图,取 $ CD$ 中点 $ O$,连接 $OB $,$ OM$,则 $ OB\perp CD$,$ OM\perp CD$.
    又平面 $MCD\perp 平面 BCD$,则 $MO\perp 平面 BCD$,所以 $ MO\parallel AB $,$ A$,$ B$,$O $,$M $ 四点共面.
    延长 $AM $,$ BO$ 相交于 $E $,则 $ \angle AEB$ 就是 $AM $ 与平面 $ BCD$ 所成的角.
    由题可得 $OB=MO=\sqrt3 $,$ MO\parallel AB $,则 $ \dfrac{EO}{EB}=\dfrac{MO}{AB}=\dfrac12$,$ EO=OB=\sqrt3$,
    所以 $ EB=2\sqrt3=AB$,故 $ \angle AEB=45^\circ$.
    解法二:
    如图,取 $ CD $ 中点 $ O $,连 $ OB $,$ OM $,则 $ OB\perp CD $,$ OM\perp CD $.
    又平面 $MCD \perp平面BCD$,则 $ MO\perp 平面 BCD $.
    以 $ O $ 为原点,直线 $ OC $、$ BO $、$ OM $ 为 $ x $ 轴,$ y $ 轴,$ z $ 轴,建立空间直角坐标系如图.$OB=OM= \sqrt 3 $,则各点坐标分别为\[O\left(0,0,0\right) , C\left(1,0,0\right), M\left(0,0, \sqrt 3 \right),B\left(0,- \sqrt 3 ,0\right),A\left(0,- \sqrt 3 ,2 \sqrt 3 \right) ,\]设直线 $ AM $ 与平面 $ BCD $ 所成的角为 $\alpha $.
    因 $\overrightarrow {AM} = \left(0,\sqrt 3 , - \sqrt 3 \right)$,平面 $BCD$ 的法向量为 $\overrightarrow n = \left(0,0,1\right)$.则有\[\sin \alpha = \left| {\cos \left\langle {\overrightarrow {AM} ,\overrightarrow n } \right\rangle } \right| = \left| {\dfrac{{\overrightarrow {AM} \cdot \overrightarrow n }}{{\left| {\overrightarrow {AM} } \right| \cdot \left| {\overrightarrow n } \right|}}} \right| = \dfrac{\sqrt 3 }{\sqrt 6 } = \dfrac{\sqrt 2 }{2},\]所以 $\alpha = {45^ \circ }$.
  2. 求平面 $ACM$ 与平面 $BCD$ 所成的二面角的正弦值.
    标注
    答案
    解析
    解法一:
    $CE $ 是平面 $ ACE$ 与平面 $ BCD$ 的交线.
    由(1)知,$ O $ 是 $ BE $ 的中点,则 $ BCED $ 是菱形.
    作 $ BF\perp EC $ 于 $ F $,连 $ AF $,则 $ AF\perp EC $,$ \angle AFB $ 就是二面角 $ A-EC-B $ 的平面角,设为 $\theta $.
    因为 $ \angle BCE=120^\circ $,所以 $ \angle BCF=60^\circ $,所以 $BF = BC \cdot \sin {60^ \circ } = \sqrt 3 $.
    所以 $\tan \theta = \dfrac{AB}{BF} = 2$,$\sin \theta = \dfrac{2\sqrt 5 }{5}$,所以,所求二面角的正弦值是 $\dfrac{2\sqrt 5 }{5}$.
    解法二:
    $\overrightarrow {CM} = \left( - 1,0,\sqrt 3 \right)$,$\overrightarrow {CA} = \left( - 1, - \sqrt 3 ,2\sqrt 3 \right)$.
    设平面 $ ACM $ 的法向量为 $\overrightarrow {n_1} = \left(x,y,z\right)$,由\[{\begin{cases}
    \overrightarrow {n_1} \perp \overrightarrow {CM}, \\
    \overrightarrow {n_1} \perp \overrightarrow {CA} ,\\
    \end{cases}}\]得\[{\begin{cases}- x + \sqrt 3 z = 0 ,\\
    - x - \sqrt 3 y + 2\sqrt 3 z = 0 ,\\
    \end{cases}}\]解得 $x = \sqrt 3 z$,$y = z$,取 $\overrightarrow {n_1} = \left(\sqrt 3 ,1,1\right)$.
    又平面 $ BCD $ 的法向量为 $\overrightarrow n = \left(0,0,1\right)$,则\[\cos \left \langle\overrightarrow {n_1} ,\overrightarrow n \right\rangle= \dfrac{{\overrightarrow {n_1} \cdot \overrightarrow n }}{{ \left| {\overrightarrow {n_1} } \right| \cdot \left| {\overrightarrow n } \right|}} = \dfrac{1}{\sqrt 5 }.\]设所求二面角为 $\theta $,则\[\sin \theta = \sqrt {1 - {{\left(\dfrac{1}{\sqrt 5 }\right)}^2}} = \dfrac{2\sqrt 5 }{5}.\]
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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