求空间图形中的角
空间图形中的角,包括异面直线所成角、直线与平面所成角和二面角。这些角的计算,是高考中的一项主要的考核内容。做这类题目,应根据定义找出或作出所求的角。并根据题目的要求,计算一些线段的长度,然后通过解三角形等方法求值。在解题时要注意“作、证、算”的有机统一,还要注意各种角的范围,运用恰当的方法求出它们的大小。当然也可借助空间向量求这些角的大小。
例:在棱长为a的正方体abcd-a′b′c′d′中,e、f分别是bc、a′d′的中点,
(1)求直线a′c与de所成的角;
(2)求直线ad与平面b′edf所成的角;
(3)求平面b′edf与平面abcd所成的锐二面角
解法一:
(1)解 如图所示,在平面abcd内,过c作cp∥de,交直线ad于p,则∠a′cp(或补角)为异面直线a′c与de所成的角
在△a′cp中,易得a′c=-a,cp=de=-a, a′p=-a
由余弦定理得cos(∠a′cp)=- 故a′c与de所成角为arccos-
点评:异面直线所成角的范围是0°<θ≤90°,求解的方法主要是平移法和补形法。
(2)解 ∵∠ade=∠adf,∴ad在平面b′edf内的射影在∠edf的平分线上(如图)又可证明四边形b′edf为菱形(证明略),∴db′为∠edf的平分线,
故直线ad与平面b′edf所成的角为∠adb′,
在rt△b′ad中,ad=-a,ab′=-a,b′d=-a,
则cosadb′=-,故ad与平面b′edf所成的角是arccos-
点评:直线与平面所成角的范围是0°≤θ≤90°,求解的关键是找直线在平面上的射影。
(3)解 如图,连结ef、b′d,交于o点,显然o为b′d的中点,从而o为正方形abcd-a′b′c′d的中心,作oh⊥平面abcd,则h为正方形abcd的中心,再作hm⊥de,垂足为m,连结om,则om⊥de,故∠omh为二面角b′-de′-a的平面角
在rt△doe中,oe=-a,od=-a,斜边de=-a,
则由面积关系得om=-=-a,在rt△ohm中,sinomh=-=-,故平面b′edf与平面abcd所成的锐二面角为arcsin-
点评:二面角的范围是0°≤θ≤180°,求解的方法主要是定义法、运用三垂线定理及其逆定理和垂面法
解法二(向量法)
(1) 如图建立坐标系,则a′(0,0,a),c(a,a,0),d(0,a,0),e(a,-,0)→-=(a,a,-a),-=(a,--,0)→cos<-,->=-=- 故a′c与de所成角为arccos-
(2)∵∠ade=∠adf,∴ad在平面b′edf内的射影在∠edf的平分线上,如下图所示,又∵b′edf为菱形,∴db′为∠edf的平分线,
故直线ad与平面b′edf所成的角为∠adb′,如图建立坐标系,则a(0,0,0),b′(a,0,a),d(0,a,0)→-=(0,-a,0),-=(a,-a,a)→cos<-,->=-=-,故ad与平面b′edf所成的角是arccos-
(3) 由(1)知a(0,0,0),a′(0,0,a),b′(a,0,a),d(0,a,0),e(a,-,0)
所以面abcd的法向量为-=-=(0,0,a)下面求面b′edf的法向量-
设-=(1,y,z),由-=(-a,-,0),-=(0,--,a),-⊥--⊥-→-ax+-y=0--y+az=0 不妨取z=1,得-=(1,2,1) ∴cos<-,->=-=-
故平面b′edf与平面abcd所成的锐二面角为arccos-
点评:建立适当的空间直角坐标系,利用空间向量,以代数的方法求空间的一些角的大小,可以使求解过程变得简洁、明了。