Question

如图．在四棱锥S-ABCD中，底面ABCD是正方形，SA⊥底面ABCD，SA=AB，点M是SD上的点，AM与BC所成的角为，
AN⊥SC，垂足为点N．
（I）求证：SB∥平面ACM；
（ II）求直线AC与平面SDC所成的角；
（Ⅲ）求二面角N-AM-C的大小．

Answer

（I）由题意连接BD交AC于E，连接ME，根据ME是三角形DSB的中位线进行证明；
（II）由题可得，CD⊥平面SAD，直线AC与平面SDC所成的角为∠ACM，然后在Rt△AMC中进行求解；
（Ⅲ）因为AM⊥平面SCD，所以∠NMC为二面角N-AM-C的一个平面角，然后在直角三角形中求其余弦值，从而求解．
解法一：依题意有AD∥BC，所以
所以点M是SD的中点，且AM⊥SD（3分）
（Ⅰ）证明：连接BD交AC于E，连接ME（4分）
∵ABCD是正方形，
∴E是BD的中点∵M是SD的中点，
∴ME是△DSB的中位线
∴ME∥SB（5分）
又∵ME⊂平面ACM，SB⊄平面ACM，
∴SB∥平面ACM． （6分）

（Ⅱ）由题可得，CD⊥平面SAD，所以有CD⊥AM，又SD⊥AM
∴AM⊥平面SCD，
∴∠ACM为直线AC与平面SDC所成的角（8分）
在Rt△AMC中，，
∴，即直线AC于平面SDC所成的角为（9分）
（Ⅲ）∵AM⊥平面SCD
∴∠NMC为二面角N-AM-C的一个平面角（10分）
且AM⊥SC，又AN⊥SC
∴SC⊥平面AMN∴SC⊥MN．
在Rt△MNC中，
∵Rt△SNM∽Rt△SDC
∴
∴

∴二面角N-AM-C的大小为（12分）
解法二：依题意有AD∥BC，所以
所以点M是SD的中点，且AM⊥SD
如图，以A为坐标原点，建立空间直角坐标系O-xyz，
由SA=AB故设AB=AD=AS=1则A（0，0，0），B（0，1，0），C（1，1，0），（3分）
（Ⅰ）连接BD交AC于E，则
∵
∴
∴∥
∴SB∥平面ACM（6分）

（Ⅱ）由题可得，CD⊥平面SAD，所以有CD⊥AM
又SD⊥AM
∴AM⊥平面SCD
∴为平面SCD的一个法向量
∴
∴
∴直线AC于平面SDC所成的角为（9分）
（Ⅲ）∵AM⊥平面SCD
∴AM⊥SC，又AN⊥SC
∴SC⊥平面AMN
∴为平面AMN的一个法向量．
设平面AMC的一个法向量为，则即，
令x=1，则z=y=-1即
∴
∴二面角N-AM-C的大小为（12分）