Cho hình chóp \(S.ABCD\) có đáy hình vuông. Cho tam giác \(SAB\) vuông tại \(S\) và góc \(SBA\) bằng \({30^0}\). Mặt phẳng \(\left( {SAB} \right)\) vuông góc mặt phẳng đáy. Gọi \(M,N\) là trung điểm \(AB,BC\). Tìm cosin góc tạo bởi hai đường thẳng \(\left( {SM,DN} \right)\).

Ta có \[BC \bot \left( {SAB} \right)\]\[ \Rightarrow BC \bot AM\]\[ \Rightarrow AM \bot \left( {SBC} \right)\]\[ \Rightarrow AM \bot SC\]. Tương tự ta cũng có \[AN \bot SC\]\[ \Rightarrow \left( {AMN} \right) \bot SC\]. Gọi \[\varphi \] là góc giữa đường thẳng \[SB\] và \[\left( {AMN} \right)\].

Chuẩn hóa và chọn hệ trục tọa độ sao cho \[A\left( {0;0;0} \right)\], \[B\left( {0;1;0} \right)\], \[D\left( {1;0;0} \right)\], \[S\left( {0;0;\sqrt 2 } \right)\],

\[C\left( {1;1;0} \right)\], \[\overrightarrow {SC}  = \left( {1;1; - \sqrt 2 } \right)\], \[\overrightarrow {SB}  = \left( {0;1; - \sqrt 2 } \right)\]. Do \[\left( {AMN} \right) \bot SC\] nên \[\left( {AMN} \right)\] có vtpt \[\overrightarrow {SC} \]

$\sin \phi =\frac{\left|3\right|}{2\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{3}}{2}\Rightarrow \phi ={60}^{\text{o}}$

Đặt hệ trục tọa độ \(Oxyz\) như hình vẽ. Khi đó, ta có \(A\left( {0;0;0} \right)\), \(B\left( {a;0;0} \right)\), \(D\left( {0;a\sqrt 3 ;0} \right)\), \(S\left( {0;0;a} \right)\).

Ta có \(\overrightarrow {BD}  = \left( { - a;a\sqrt 3 ;0} \right) = a\left( { - 1;\sqrt 3 ;0} \right)\), nên đường thẳng \(BD\) có véc-tơ chỉ phương là \(\overrightarrow u  = \left( { - 1;\sqrt 3 ;0} \right)\).

Ta có \(\overrightarrow {SB}  = \left( {a;0; - a} \right)\), \(\overrightarrow {BC}  = \left( {0;a\sqrt 3 ;0} \right)\) \( \Rightarrow \left[ {\overrightarrow {SB} ,\overrightarrow {BC} } \right] = \left( {{a^2}\sqrt 3 ;0;{a^2}\sqrt 3 } \right)\)\( = {a^2}\sqrt 3 \left( {1;0;1} \right)\).

Như vậy, mặt phẳng \(\left( {SBC} \right)\)có véc-tơ pháp tuyến là \(\overrightarrow n  = \left( {1;0;1} \right)\).

Do đó, \(\alpha \) là góc tạo bởi giữa đường thẳng \(BD\) và mặt phẳng \(\left( {SBC} \right)\) thì

\(\sin \alpha  = \frac{{\left| {\overrightarrow u .\overrightarrow n } \right|}}{{\left| {\overrightarrow u } \right|.\left| {\overrightarrow n } \right|}}\)\( = \frac{{\left| {\left( { - 1} \right).1 + \sqrt 3 .0 + 0.1} \right|}}{{\sqrt {{{\left( { - 1} \right)}^2} + {{\sqrt 3 }^2} + {0^2}} .\sqrt {{1^2} + {0^2} + {1^2}} }}\)\( = \frac{{\sqrt 2 }}{4}\).