立体几何因它的难懂难学而“名声不佳”,而二面角又是立体几何中的“刺头”,更因它的抽象费解,令许多学生对它束手无策,望而却步。然而,由于它又常常是高考的热点、宠儿,使不少学生对它又爱又恨。如何在“二面角”这方天地中独辟一条溪径,让学生品尝到“二面角”的易与趣,享受到立体几何的精与美呢?笔者从多年的教学实践中疏理出求解二面角的思路――通过找出它的平面角从而将立体问题转化为平面问题来解决。笔者精心总结出了二面角求解的几种常用方法,以期能为学生学好二面角知识助一臂之力。
1 利用三垂线定理或其逆定理解决
这一种方法是两个平面的交线已经给出,则在一个面里确定一个点,过点作另一个面的垂线,得出垂足,再过这个垂足作交线的垂线并交于一点,连接原来的点,则所成的角即为二面角的平面角或其补角。再利用三边长求角。
例:如***,已知ABCD-A1B1C1D1是棱长为3的正方体,点E在AA1上,点F在CC1上,且AE=FC1=1,求截面EBFD1和面BCC1B1所成锐二面角大小。
解:过E作EG∥AB交BB1于G点,过G作GHBF交BF于H点,连接HE,则∠GHE为所求二面角的平面角。
GHBG=313,BG=1 GH=31313 又EG=3,tan∠GHE=13,∠GHE=art tan13。
2 直接作与棱垂直的平面
这一种方法需要一个特殊的条件,即二个平面中顶点的连线与交线恰好垂直,则过其中一个顶点作交线的垂线,再连结另一个顶点,所得的角即为二面角的平面角。
例:如***,在四棱锥S-ABCD中,底面ABCD为正方形,侧棱SD底面ABCD,SD=DA,求二面角A-SB-C的大小。
解:SD底面ABCD,且ACBD,过A作AESB,交SB于E,连接CE,则∠AEC为所求二面角的平面角。设AB=a,则AC=2a,AE=CE=63,cos∠AEC=AE2+CE2-AC22×AE×CE=-1,∠AEC=π-art cos1。
3 若二面角没有交线时,则利用添加***形补齐
这一种方法主要针对两个平面没有交点或只有一个交点的情况,则要通过作***找出交线,或作特殊线的延长线相交,或补成正方体长方体等特殊***形,然后再利用前两种方法解决。
例:如***,正四棱锥P-ABCD,AB=AP,求平面PAB与平面PCD所成的二面角(锐角)的大小
解:平面PAB与平面PCD只有一个交点,无法利用前两和方法作***,则先把***形添加成一个正四棱柱,再从中找出两个平面的交线。
E,F分别为B1C1的中点,EF∥AB,EF∥CD,EF为二平面的交线,又PMEF,PNEF,∠MPN为所求二面角的平面角。设AB为2a,则PM=PN=3a,MN=2a,利用余弦定理得cos∠MPN=PM2+PN2-MN22×PM×PN=3a2+3a2-4a22×3a×3a=13,∠MPN=arccos13
4 利用原面积与射影面积的关系求解
这一种方法针对于一个平面在另一个平面中具有完整的射影,并可通过计算得出这两个***形的面积,即可利用公式求解二面角的平面角的余弦值。
例:如***,在底面为直角梯形的四棱锥P-ABCD中,AD∥BC,∠ABC=90°,PA平面ABCD,PA=4,AD=2,AB=4,BC=6.求平面PCD与平面PAB所成锐角的大小.
解:PA平面ABCD,PAAD,PABC, ∠ABC=90°,ADAB,BCAB,A,B分别为D,C在平面PAB的射影。AD=2,AB=4,BC=6,过A作AECD,交CD于E,连接PE,AE=2,PE=32,CD=42。
又SPAB=12PA×AB=8,SPDC= 12PE×CD=12,设两个平面的二面角为α,cosα=SPABSPDC=812=23,α=arccos23
5 利用空间向量求解
这一种方法通过求两个平面的法向量,再利用法向量所成角与二面角相等或互补的性质求解。
例:右***是一个直三棱柱(以A1B1C1为底面)被一平面所截得到的几何体,截面为ABC.已知 A1B1=B1C1=1,∠A1B1C1=90°,AA1=4,BB1=2,CC1=3.求平面ABC与平面A1B1C1所成二面角(锐角)的大小。
解:以B1为坐标原点,以A1B1为Z轴,B1C1为X轴,B1B为Y轴建立空间坐标系,A1B1=(0,0,1),B1C1=(1,0,0),AB=(0,-2,-1),BC=(1,1,0),设m=(x,y,z),m=(a,b,1)分别为平面A1B1C1和平面ABC的法向量, m・A1B1=0, m・B1C1=0,n・AB=0, n・BC=0,
-2b-1=0
a+b=0,又B1B平面A1B1C1,m=(0,1,0),n=(12,-12,1),cos
曲径通幽,何愁无处下金钩,倘佯在立体几何这些精美***案中,引领学生用法眼去欣赏的精巧有致,用慧眼去寻找二面角解题路径,用匠心去采撷二面角的解题方法,带领学生满怀信心踏上求解二面角的“通幽曲径”,进入“二面角”世界的“藕花深处”相信学生“二面角知识”的学习,一定会步入豁然开朗的“别有洞天”!