084_02M_q11
84 學測數學 第 11 題
📅 84 年 📝 學測數學 第 11 題 題型:多選 課綱:99課綱
圖 3 中 $ABCD$ 為正四面體,$M$ 為 $CD$ 的中點,試問下列那些敘述是正確的?
圖 3
圖 3
  1. 直線 $CD$ 與平面 $ABM$ 垂直
  2. 向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB}$ 與向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{CD}$ 垂直
  3. $\angle AMB > \angle ADB$
  4. 平面 $ACD$ 與平面 $BCD$ 的二面角(銳角)大於 $60^\circ$
  5. $\overline{BM} = \overline{BA}$
空間幾何,正四面體的幾何性質,二面角空間向量與空間中的直線與平面
答案

$(1)(2)(3)(4)$

多選題

詳解
設正四面體 $ABCD$ 的邊長為 $1$: - (A) 由於面 $ACD$ 與面 $BCD$ 均為正三角形,且 $M$ 為邊 $CD$ 的中點。根據正三角形性質,中線必垂直底邊,故有: $$\overline{AM} \perp \overline{CD} \ \ \text{且} \ \ \overline{BM} \perp \overline{CD}$$ 因為直線 $CD$ 垂直於平面 $ABM$ 上的兩條相交直線 $AM$ 與 $BM$,所以直線 $CD$ 垂直於整個平面 $ABM$。此選項正確。 - (B) 因為直線 $CD$ 垂直於平面 $ABM$,而線段 $AB$ 落在平面 $ABM$ 上。根據線面垂直定義,空間中直線 $CD$ 必定垂直於平面 $ABM$ 上的任意直線,因此向量 $\overset{\large\rightharpoonup}{AB} \perp \overset{\large\rightharpoonup}{CD}$。此選項正確。 - (C) 考慮兩個等腰三角形: - 在 $\Delta ADB$ 中,兩腰長為 $\overline{AD} = \overline{BD} = 1$,底邊 $\overline{AB} = 1$。 - 在 $\Delta AMB$ 中,兩腰長為 $\overline{AM} = \overline{BM} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$,底邊 $\overline{AB} = 1$。 根據三角形餘弦定理,在底邊相同的情況下,兩腰邊長越短,其夾角越大。因為 $\dfrac{\sqrt{3}}{2} < 1$,故: $$\angle AMB > \angle ADB$$ 此選項正確。 - (D) 平面 $ACD$ 與平面 $BCD$ 的二面角即為 $\angle AMB$。我們使用餘弦定理計算: $$\cos\angle AMB = \dfrac{\overline{AM}^2 + \overline{BM}^2 - \overline{AB}^2}{2 \overline{AM} \cdot \overline{BM}} = \dfrac{\dfrac{3}{4} + \dfrac{3}{4} - 1}{2 \times \dfrac{3}{4}} = \dfrac{\dfrac{1}{2}}{\dfrac{3}{2}} = \dfrac{1}{3}$$ 因為 $\cos 60^\circ = \dfrac{1}{2}$,且當 $\theta \in [0^\circ, 90^\circ]$ 時,$\cos\theta$ 為遞減函數。由 $\cos\angle AMB = \dfrac{1}{3} < \dfrac{1}{2}$,可得 $\angle AMB > 60^\circ$。此選項正確。 - (E) 線段長度 $\overline{BA} = 1$,而 $\overline{BM} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$,兩者不相等。此選項錯誤。 綜上所述,正確選項為 $(1)(2)(3)(4)$。

題目來源:大學入學考試中心公開試題。

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