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13立体几何初步★★★★☆
如图,设平面 ACAC 和 BDBD 相交于 BCBC,它们所成的一个二面角为 45∘45^{\circ},PP 为平面 ACAC 内的一点,QQ 为平面 BDBD 内的一点. 已知直线 MQMQ 是直线 PQPQ 在平面 BDBD 内的射影,并且 MM 在 BCBC 上. 又设 PQPQ 与平面 BDBD 所成的角为 β\beta,∠CMQ=θ\angle CMQ=\theta(0∘<θ<90∘0^{\circ}<\theta<90^{\circ}),线段 PMPM 的长为 aa,求线段 PQPQ 的长.
\begin{solution} 从 PP 向平面 BDBD 作垂线,垂足为 RR. 因为 MQMQ 是 PQPQ 在平面 BDBD 内的射影,所以 RR 在直线 MQMQ 上. 过 RR 向交线 BCBC 作垂线,垂足为 NN. 由三垂线定理,PN⊥BCPN\perp BC,而 RN⊥BCRN\perp BC,所以 ∠PNR\angle PNR 是两平面所成二面角的平面角,从而 ∠PNR=45∘\angle PNR=45^{\circ}. 又因 PR⊥BDPR\perp BD,且 RN⊂BDRN\subset BD,所以 PR⊥RNPR\perp RN,三角形 PNRPNR 在 RR 处直角,故 PR=RNPR=RN.
令 φ=∠PMR\varphi=\angle PMR. 在直角三角形 PMRPMR 中,PM=aPM=a,所以 MR=acos⁡φMR=a\cos\varphi,PR=asin⁡φPR=a\sin\varphi. 由于 RR 在 MQMQ 上,∠CMR=∠CMQ=θ\angle CMR=\angle CMQ=\theta. 在直角三角形 MNRMNR 中,NR=MRsin⁡θ=acos⁡φsin⁡θNR=MR\sin\theta=a\cos\varphi\sin\theta. 结合 PR=NRPR=NR,得到 asin⁡φ=acos⁡φsin⁡θa\sin\varphi=a\cos\varphi\sin\theta,即 tan⁡φ=sin⁡θ\tan\varphi=\sin\theta.
在三角形 PMQPMQ 中,∠PMQ=φ\angle PMQ=\varphi,而 ∠PQM=β\angle PQM=\beta,后者是直线 PQPQ 与平面 BDBD 所成的角. 由正弦定理,PQsin⁡φ=PMsin⁡β\frac{PQ}{\sin\varphi}=\frac{PM}{\sin\beta},所以 PQ=asin⁡φsin⁡βPQ=\frac{a\sin\varphi}{\sin\beta}. 由 tan⁡φ=sin⁡θ\tan\varphi=\sin\theta 且 0<φ<90∘0<\varphi<90^{\circ},有 sin⁡φ=sin⁡θ1+sin⁡2θ\sin\varphi=\frac{\sin\theta}{\sqrt{1+\sin^2\theta}}. 因此 PQ=asin⁡θsin⁡β1+sin⁡2θPQ=\frac{a\sin\theta}{\sin\beta\sqrt{1+\sin^2\theta}}. \end{solution}

1985 · 全国 · 理 · 第 13 题 · 解答题

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