二面角的几种求法

二面角的几种求法河北省武安市第一中学李春杰056300摘要：在立体几何学习中，求二面角的大小是一个重点，更是一个难点。在每年的高考中，求二面角的大小，几乎成了必考的知识点，但学生却对这个知识点不太熟练，不知从何入手，更不能站在一个高度去求二面角。因而我们将一些求角的方法加以归纳、总结，从而更好更准确地解决问题。关键词：二面角平面角三垂线定理空间向量在高考中，立体几何占的分值比较大，学生觉得在学习的过程中有一定的难度，他们觉得，立几中要记的定义，定理，方法和基本图形比较多，再加上还要运用空间想象和空间思维能力，因此，空间立体几何对他们来说，真的有一定的难度。我们将有关二面角大小的方法加以归纳，为的是在以往有关解答此类问题时能有一定的解题技巧、方法，以便得心应手地面对各种有关的题型。一：二面角定义的回顾：从一条直线出发的两个半平面所组成的图形就叫做二面角。二面角的大小是用二面角的平面角来衡量的。而二面角的平面角是指在二面角l的棱上任取一点O，分别在两个半平面内作射线lBOlAO,，则AOB为二面角l的平面角。二：二面角的通常求法：1.利用定义作出二面角的平面角，并设法求出其大小。例1、如图,空间四边形ABCD中，AB=BC=CD=DA=a，对角线AC=a,BD=2a.求二面角A-BD-C的大小。解:取BD的中点为O，分别连接AO、COOABOABl22200,,,22,222222,,,229090ABADBCCDAOBDCOBDAOCABDCABADaBDaAOaBCCDaBDaOCaaOAaACaOAOCACAOCABDC为二面角的平面角在AOC中，OC=即二面角为的二面角2.三垂线定理（逆定理）法由二面角的一个面上的斜线（或它的射影）与二面角的棱垂直，推得它位于二面角的另一的面上的射影（或斜线）也与二面角的棱垂直，从而确定二面角的平面角。例2．如图,在底面为直角梯形的四棱锥PABCD中//ADBC，,90ABC平面PAABC，32,2,4ABADPA,BC=6。(Ⅰ)求证：BDPAC平面；(Ⅱ)求二面角DBDP的大小；解：（Ⅰ）PA⊥平面ABCD，BD平面ABCD．BDPA⊥．又3tan3ADABDAB，tan3BCBACAB．30ABD∠，60BAC∠，90AEB∠，即BDAC⊥．又PAACA．BD⊥平面PAC．（Ⅱ）过E作EFPC⊥，垂足为F，连接DF．DE⊥平面PAC，EF是DF在平面PAC上的射影，由三垂线定理知PCDF⊥，EFD∠为二面角APCD的平面角．又9030DACBAC∠∠，sin1DEADDAC，sin3AEABABE，又43AC，33EC，8PC．AODBCAEDPCBF由RtRtEFCPAC△∽△得332PAECEFPC．在RtEFD△中，23tan9DEEFDEF，23arctan9EFD∠．二面角APCD的大小为23arctan9．3.平移或延长（展）线（面）法将图形中有关线段或平面进行平移或延长（展），以其得到二面角的两个平面的交线。例3、正三角形ABC的边长为10，A∈平面α，B、C在平面α的同侧，且与α的距离分别是4和2，求平面ABC与α所成的角的正弦值。解：设E、F分别为B、C的射影，连EF并延长交BC延长线于D，连AD；AE∵E、F是B、C射影∴BE丄α；∵CF丄α∴BE∥CF又CF：BE=21，B∴C是BD的中点∴BC=DC，C∵ΔABC是正三角形∴∠B=∠BCA=∠BAC=60°，又∠ACB+∠ACD=180°，EFD∴∠ACD=120°又AC=DC，A∴∠CAD=∠CDA=30°，又∠BAD=∠BAC+∠CAD，∴∠BAD=90°，∴BA丄AD，又∵AE是AB在平面α上的射影，∴AE⊥AD又BA⊥AD，平面ABC∩平面α=A，∴∠BAE是平面ABC与α所成的角，∴BE⊥平面α，∴BE⊥AE，∴ΔABC是RtΔSin∠BAE=BE：AB=52，即平面ABC与α所成角的正弦值为52。4、射影公式由公式S射影=S斜面cosθ，作出二面角的平面角直接求出。运用这一方法的关键是从图中找出斜面多边形和它在有关平面上的射影，而且它们的面积容易求得。例4、如图，设M为正方体ABCD-A1B1C1D1的棱CC1的中点，求平面BMD与底面ABCD所成的二面角的大小。解：∵D1D⊥面ABCD，C1C⊥面ABCD，∴∆BMD1在底面上的射影为∆BDC，设正方体的棱长a，则S∆BCD=21a2，BD1=3a所以∴MH=22a，S∆BMD1=46a2由S∆BDC=S∆BMD1cosθ得θ=arccos365、找（作）公垂面法由二面角的平面角的定义可知两个面的公垂面与棱垂直，因此公垂面与两个面的交线所成的角，就是二面角的平面角。例5、如图，已知PA与正方形ABCD所在平面垂直，且AB＝PA，求平面PAB与平面PCD所成的二面角的大小。解:∵PA⊥平面ABCD，∴PA⊥CD．又CD⊥AD，故CD⊥平面PAD．P而CD平面PCD，AD所以平面PCD⊥平面PAD．同理可证平面PAB⊥平面PAD．BC因为平面PCD∩平面PAD＝PD，平面PAB∩平面PAD＝PA，所以PA、PD与所求二面角的棱均垂直，即∠APD为所求二面角的平面角，且∠APD＝45°．6、化归为分别垂直于二面角的两个面的两条直线所成的角例6、在长方体ABCD－A1B1C1D1中，点E、F分别在BB1、DD1上，且AE⊥A1B，AF⊥A1D．(1)求证:A1C⊥平面AEF；若规定两个平面所成的角是这两个平面所组成的二面角中的锐角(或直角)，则在空间中有定AHMD1C1B1A1BCD理：“若两条直线分别垂直于两个平面，则这两条直线所成的角与这两个平面所成角的大小相等．”试根据上述定理，在AB＝4，AD＝3，AA1＝5时，D1C1求平面AEF与平面D1B1BD所成角的大小(用反三B1A1角函数值表示)．FE解：(1)∵A1B⊥BC即A1B是A1C的射影DC又∵A1B⊥AE∴A1C⊥AEAGB同理A1C⊥AF∴A1C⊥平面AEF(2)的解法如下：过C作BD的垂线交AB于G．又D1D⊥CG，故CG⊥平面BB1D1D．而A1C⊥平面AEF((1)已证)，设CG与A1C所成的角为α，则α即为平面BB1D1D与平面AEF所成的角．Sin∠BCG＝Sin∠ABD＝53，Cos∠BCG＝54，GC＝415BG=49，AG=47A1G2=A1A2+AG2=16449A1C2=AB2+AD2+AA12=50在∆A1CG中，由余弦定理得Cos∠A1CG=25212由上述定理知平面BB1D1D与平面AEF所成的角大小为arccos252127.空间向量法例7.如图，正四棱柱1111ABCDABCD中，124AAAB，点E在1CC上且ECEC31．ABCDEA1B1C1D1（Ⅰ）证明：1AC平面BED；（Ⅱ）求二面角1ADEB的大小．解在：以D为坐标原点，射线DA为x轴的正半轴，建立如图所示直角坐标系Dxyz．依题设，1(220)(020)(021)(204)BCEA，，，，，，，，，，，．(021)(220)DEDB，，，，，，11(224)(204)ACDA，，，，，．（Ⅰ）因为10ACDB，10ACDE，故1ACBD，1ACDE．又DBDED，所以1AC平面DBE．（Ⅱ）设向量()xyz，，n是平面1DAE的法向量，则DEn，1DAn．故20yz，240xz．令1y，则2z，4x，(412)，，n．1AC，n等于二面角1ADEB的平面角，4214,cos111CAnCAnCAn．所以二面角1ADEB的大小为14arccos42．参考资料：《5年高考三年模拟》首都师范大学出版社《优化探究》黄河出版社ABCDEA1B1C1D1yxz