求空间角是立体几何中经常考查的问题,空间角指的是两条异面直线所成的角,直线和平面所成的角及二面角. 下面对求空间角的方法技巧作深度剖析,以期对同学们的学习有所帮助.
重点掌握直线和直线、直线和平面、平面和平面所成的角的概念及求法,难点是在不同的问题情境中如何把空间角的问题转化为平面角处理.若用向量法求解空间角,难点是若载体中没有明显的两两垂直关系时,如何建立空间直角坐标系.
一、综合法
1. 异面直线所成的角:取值范围是0,.
(1)平移法:在异面直线中的一条直线上选择“特殊点”作另一条直线的平行线(常通过中位线定理及平行四边形的对边达到目的).
(2)补形法:把空间***形补成熟悉的或完整的几何体,如正方体、平行六面体、长方体等,其目的在于容易发现两条异面直线的关系.
2. 直线与平面所成的角:取值范围是0,.
线面角是一个直角三角形的锐角,它的三条边分别是平面的垂直线段、斜线段及斜线段在平面内的射影,通常通过斜线上某个特殊点作出平面的垂线段,垂足和斜足的连线是产生线面角的关键.
3. 二面角: 取值范围是[0,π].
二面角的大小是用它的平面角来度量的,如何找(或作)出二面角的平面角,并且求出其大小,主要有以下几种方法:①定义法,直接在二面角的棱上取一点(特殊点),分别在两个半平面内作棱的垂线,得出平面角.
②三垂线法,已知二面角其中一个面内到另一个面的垂线,用三垂线定理或其逆定理作出平面角.
注:对于一类没有给出棱的二面角,应先延伸两个半平面,使之相交出现棱,然后选用上述方法.
总之,空间角的计算方法都是转化为平面角计算.
二、向量法
利用向量法求空间角,其操作只须按步骤进行.
1. 异面直线所成的角:设a,b分别为两条异面直线的方向向量,两条异面直线所成的角为θ,则利用公式cosθ=cos〈a,b〉=来计算.
2. 直线与平面所成的角:设直线l与平面α所成的角为θ,PC?奂l,C∈α,n为平面α的法向量,则由sinθ=cos〈,n〉=求之.
3. 二面角:n1,n2分别为二面角的两个半平面的法向量,二面角的大小转化为两个法向量的夹角或它的补角;可由cosθ=cos〈n1,n2〉=求得θ值,再观察二面角是锐角还是钝角.
已知正方形ABCD和矩形ACEF所在平面互相垂直,AB=,AF=1. 试***段AC上确定一点P,使得PF与CD所成的角是60°.
思索 根据试题特点,建立空间直角坐标系,把问题转化为方程求解.
破解 如***1,建立空间直角坐标系C-xyz,则=(,0,0),F(,,1). 设P(t,t,0)(0≤t≤),得=(-t,-t,1). 又PF和CD所成的角是60°,cos60°=,解得t=或t=(舍去),即点P是AC的中点.
点评 采用传统的平移法求异面直线所成角的大小,免不了要作辅助线和几何推理. 这里运用向量法,没有了这些手续,显得便当快捷.
如***2,四棱锥S-ABCD中,AB∥CD,BCCD,侧面SAB为等边三角形.AB=BC=2,CD=SD=1.
(1)证明:SD平面SAB;
(2)求AB与平面SBC所成的角的大小.
思索 求直线和平面所成角有综合法和向量法,综合法一般要 “找射影,两足相连”. 由于平面的一条斜线在这个平面的射影只有一条,所以关键在于寻该斜线在面上的射影. 向量法关键是建立恰当的坐标系.
破解 法1:(1)见《线面平行、垂直的判定与性质》一文.
(2)由《线面平行、垂直的判定与性质》一文知AB平面SDE,平面ABCD平面SDE. 作SFDE,垂足为F,则SF平面ABCD,SF==. 作FGBC,垂足为G,则FG=DC=1. 连结SG,则SGBC. 又BCFG,SG∩FG=G,故BC平面SFG,平面SBC平面SFG. 作FHSG,H为垂足,则FH平面SBC. FH==,即F到平面SBC的距离为. 由于ED∥BC,所以ED∥平面SBC,故E到平面SBC的距离d也为. 设AB与平面SBC所成的角为α,则sinα==,α=arcsin.
法2:以C为坐标原点,射线CD为x轴正半轴,建立如***3所示的空间直角坐标系C-xyz. 设D(1,0,0),则A(2,2,0),B(0,2,0). 又设S(x,y,z),则x>0,y>0,z>0.
(1)略.
(2)由《线面平行、垂直的判定与性质》一文知S1,,. 设平面SBC的法向量a=(m,n,p),则a,a,a•=0,a•=0. 又=1,-,,=(0,2,0),故m-n+p=0,2n=0.取p=2得a=(-,0,2). 又=(-2,0,0),所以cos〈,a〉==.故所求角为arcsin.
点评 直线与平面所成的角要“抓住”直线在平面内的射影,然后在直角三角形内求得;利用向量求线面角的关键在于:找到平面的一个法向量,法向量与直线所在的向量夹角的互余的角,即为所求的角.
如***4,在锥体P-ABCD中,ABCD是边长为1的菱形,且∠DAB=60°,PA=PD=,PB=2,E,F分别是BC,PC的中点.求二面角P-AD-B的余弦值.
思索 求二面角的方法很多,概括起来有两类,一类是作平面角,一类是不作平面角. 作平面角又有直接作和间接作两种,形形的方法都是在做一件事:作二面角的棱的垂面;而不作平面角,一般建系用法向量求.
破解 法1:设AD中点为G,连结PG,BG,BD. 因PA=PD,有PGAD,在ABD中,AB=AD=1,∠DAB=60°,有ABD为等边三角形,因此BGAD,所以∠PGB为二面角P-AD-B的平面角.
在RtPAG中,PG2=PA2-AG2=,在RtABG中,BG=AB•sin60°=,所以cos∠PGB===-.
法2:设AD中点为G,因为PA=PD,所以PGAD,又AB=AD,∠DAB=60°,所以ABD为等边三角形,因此,BGAD,从而AD平面PBG. 延长BG到O且使POOB,又PO?奂平面PBG,所以POAD,又AD∩OB=G,所以PO平面ABCD.
以O为坐标原点,菱形的边长为单位长度,直线OB,OP分别为x轴、z轴,平行于AD的直线为y轴,建立空间直角坐标系.
设P(0,0,m),G(n,0,0),则An,-,0,Dn,,0,Bn+,0,0.
***5
因为=n,-,-m,=n+,0,-m,所以=,=2,解得m=1,n=. 取平面ABD的法向量n1=(0,0,-1),设平面PAD的法向量n2=(a,b,c),•n2=0,•n2=0,取n2=1,0,,所以cos〈n1,n2〉= -,即所求二面角的余弦值为-.
点评 利用向量法求二面角的大小,关键是求出两平面的法向量.求法向量的方法主要有两种:①求平面的垂线的方向向量;②利用法向量与平面内两个不共线向量数量积为零列方程组求.
空间角的复习要注意下面两点:
1. 正确领会概念,注意角的取值范围;
2.?摇综合法求角关注平面几何知识的运用,向量法求角关注恰当建立坐标系.
求空间角方法可总结为:
线线角,用平移,妙选顶点,
线面角,作射影,二足相连.
二面角,求法多,空间余弦,
用定义,三垂线,射影垂面.
熟化归,解三角,算准结果,
作证求,三环节,环环相扣.