Question

如圖，在四面體A-BCD中，AD⊥平面BCD，．M是AD的中點，P是BM的中點，點Q在線段AC上，且AQ=3QC．
（1）證明：PQ∥平面BCD；
（2）若二面角C-BM-D的大小為60°，求∠BDC的大�。�

Answer 1

【答案】分析：（1）取BD的中點O，在線段CD上取點F，使得DF=3CF，連接OP、OF、FQ．根據(jù)平行線分線段成比例定理結(jié)合三角形的中位線定理證出四邊形OPQF是平行四邊形，從而PQ∥OF，再由線面平行判定定理，證出PQ∥平面BCD；
（2）過點C作CG⊥BD，垂足為G，過G作GH⊥BM于H，連接CH．根據(jù)線面垂直的判定與性質(zhì)證出BM⊥CH，因此∠CHG是二面角C-BM-D的平面角，可得∠CHG=60°．設(shè)∠BDC=θ，用解直角三角形的方法算出HG和CG關(guān)于θ的表達(dá)式，最后在Rt△CHG中，根據(jù)正切的定義得出tan∠CHG==，從而得到tanθ=，由此可得∠BDC．
解答：（1）取BD的中點O，在線段CD上取點F，使得DF=3CF，連接OP、OF、FQ
∵△ACD中，AQ=3QC且DF=3CF，∴QF∥AD且QF=AD
∵△BDM中，O、P分別為BD、BM的中點
∴OP∥DM，且OP=DM，結(jié)合M為AD中點得：OP∥AD且OP=AD
∴OP∥QF且OP=QF，可得四邊形OPQF是平行四邊形
∴PQ∥OF
∵PQ?平面BCD且OF?平面BCD，∴PQ∥平面BCD；
（2）過點C作CG⊥BD，垂足為G，過G作GH⊥BM于H，連接CH
∵AD⊥平面BCD，CG?平面BCD，∴AD⊥CG
又∵CG⊥BD，AD、BD是平面ABD內(nèi)的相交直線
∴CG⊥平面ABD，結(jié)合BM?平面ABD，得CG⊥BM
∵GH⊥BM，CG、GH是平面CGH內(nèi)的相交直線
∴BM⊥平面CGH，可得BM⊥CH
因此，∠CHG是二面角C-BM-D的平面角，可得∠CHG=60°
設(shè)∠BDC=θ，可得
Rt△BCD中，CD=BDcosθ=2cosθ，CG=CDsinθ=sinθcosθ，BG=BCsinθ=2sin²θ
Rt△BMD中，HG==；Rt△CHG中，tan∠CHG==
∴tanθ=，可得θ=60°，即∠BDC=60°
點評：本題在底面為直角三角形且過銳角頂點的側(cè)棱與底面垂直的三棱錐中求證線面平行，并且在已知二面角大小的情況下求線線角．著重考查了線面平行、線面垂直的判定與性質(zhì)，解直角三角形和平面與平面所成角求法等知識，屬于中檔題．