Question

如圖，已知正方體ABCD-A₁B₁C₁D₁的棱長為1．P，Q分別是棱DD₁，CD的中點(diǎn)．
（1）證明：AC₁⊥平面A₁BD；PQ∥平面A₁BD；
（2）探究：在棱B₁C₁上是否存在點(diǎn)M，使得二面角M-BD-A₁的大小為45°？若存在，則求出B₁M的值；若不存在，請說明理由．

Answer 1

分析：（1）證明：連接AC，根據(jù)三垂線定理可得：AC₁⊥BD并且AC₁⊥A₁B，再根據(jù)線面垂直的判定定理可得線面垂直．
由P，Q分別是棱DD₁，CD的中點(diǎn)，可得PQ∥A₁B，再根據(jù)線面平行的判定定理可得線面平行．
（2）建立空間直角坐標(biāo)系，分別求出兩個(gè)平面的法向量，再利用向量的有關(guān)運(yùn)算得到兩個(gè)平面的二面角，進(jìn)而得到一個(gè)等式，即可求出答案．

解答：解：（1）證明：連接AC，所以AC是AC₁在底面內(nèi)的射影，
因?yàn)樵谡�方體ABCD-A₁B₁C₁D₁中，所以AC⊥BD，
所以根據(jù)三垂線定理可得：AC₁⊥BD，同理可得：AC₁⊥A₁B，
因?yàn)锽D∩A₁B=B，
所以AC₁⊥平面A₁BD．
因?yàn)镻，Q分別是棱DD₁，CD的中點(diǎn)，
所以PQ∥CD₁，
所以PQ∥A₁B，
又因?yàn)锳₁B?平面A₁BD，
所以PQ∥平面A₁BD．
（2）建立空間直角坐標(biāo)系，如圖所示：則A₁（0，0，1），B（1，0，0），D（0，1，0），設(shè)M（1，y，1），

所以

A1B

=(1，0，-1)，

BD

=(-1，1，0)，

BM

=(0，y，1)，
設(shè)平面A₁BD與平面BDM的法向量分別為：

n

=(x1，y1，z1)，

m

=(x2，y2，z2)，
所以

n •  A1B =0 n • BD =0

，即

x1-z1=0 y1-z1=0

，取

n

=(1，1，1 )．
同理可得：

m

=(1，1，-y)．
因?yàn)槎�面角M-BD-A₁的大小為45°，
所以cos＜

n

，

m

＞=

2-y

3 2+y2

=

2

2

，解得：y=3

2

-4，
所以|B₁M|=3

2

-4．
所以在棱B₁C₁上存在點(diǎn)M，使得二面角M-BD-A₁的大小為45°，并且B₁M的值為3

2

-4．

點(diǎn)評：本題主要考查線面平行于線面垂直的判定定理，以及利用空間向量解決二面角的平面角的問題．