内容正文:
1.2.3 直线与平面的夹角
课程标准
核心素养目标
能用向量方法解决简单的直线与平面的夹角问题
1.掌握直线在平面内的射影及斜线与平面所成角的概念.(数学抽象)
2.理解最小角定理及公式cos θ=cos θ1cos θ2,并能利用这一公式解决相关问题.(逻辑推理、数学运算)
3.会利用空间向量求直线与平面所成角的问题.(数学运算)
1.直线与平面所成的角
[微练1]判断正误
(1)直线与平面所成的角就是该直线与平面内的直线所成的角.( × )
(2)若直线与平面相交,则该直线与平面所成角的范围为(0,).( × )
2.最小角定理
(1)线线角、线面角的关系式
如图,设OA是平面α的一条斜线段,O为斜足,B为A在平面α内的射影,OM是平面α内的一条射线.θ是OA与OM所成的角,θ1是OA与OB所成的角,θ2是OB与OM所成的角,则有cos θ=cos_θ1cos_θ2.
(2)最小角定理
平面的斜线与平面所成的角,是斜线和这个平面内所有直线所成角中最小的角.
[微练2]已知平面α内的角∠APB=60°,射线PC与PA,PB所成角均为135°,则PC与平面α所成角的余弦值是( B )
A.- B.
C. D.-
解析:设PC与平面α所成的角为θ,由最小角定理知cos 45°=cos θcos 30°,∴cos θ=.
3.用空间向量求直线与平面的夹角
如果v是直线l的一个方向向量,n是平面α的一个法向量,设直线l与平面α所成角的大小为θ,则有
(1)θ=-〈v,n〉或θ=〈v,n〉-;
(2)cos θ=sin 〈v,n〉,sin θ=|cos〈v,n〉|.
知识点一
定义法求直线与平面所成的角
在正四面体ABCD中,E为棱AD的中点,连接CE,求CE和平面BCD所成角的正弦值.
解:如图,连接OB,OC,过A,E分别作AO⊥平面BCD,EG⊥平面BCD,O,G为垂足.则AO∥GE,AO=2GE.
连接GC,则∠ECG为EC和平面BCD所成的角.
因为AB=AC=AD,所以OB=OC=OD.
因为△BCD是正三角形,所以O为△BCD的中心.
连接DO并延长交BC于F,则F为BC的中点.
令正四面体ABCD的棱长为1,
可求得CE=,DF=,OD=DF=,
则AO===,所以EG=.
在Rt△ECG中,sin ∠ECG==.
即CE和平面BCD所成角的正弦值为.
1.利用定义法求直线与平面所成的角,首先要作出斜线和这条斜线在平面内的射影所成的锐角,然后通过解三角形求出直线与平面所成的角的大小.其基本步骤可归纳为“一作,二证,三计算”.
2.找射影的两种方法:(1)斜线上任一点在平面内的射影必在斜线在平面内的射影上;(2)利用已知垂直关系得出线面垂直,确定射影.
如图,在三棱锥PABC中,△ABC是边长为3的等边三角形,D是线段AB的中点,DE∩PB=E,且DE⊥AB,PA=,PB=,则PA与平面CDE所成角的正切值为( )
A. B.
C. D.
A 解析:∵PA2+PB2=AB2,∴PA⊥PB.过P作PM⊥AB于M(图略),则PM∥DE.∵DE⊥AB,AB⊥DC,DE∩DC=D,∴AB⊥平面CDE,
∴PA与平面CDE所成的角等于∠APM.
又∵∠APM=∠PBA,
∴tan ∠APM=tan ∠PBA==.
知识点二
向量法求直线与平面所成的角
如图,在四棱锥PABCD中,底面为直角梯形,AD∥BC,∠BAD=90°,PA⊥底面ABCD,且PA=AD=AB=2BC,M,N分别为PC,PB的中点.
(1)求证:PB⊥DM;
(2)求BD与平面ADMN所成的角.
(1)证明:如图,以点A为坐标原点建立空间直角坐标系,
设BC=1,则A(0,0,0),P(0,0,2),B(2,0,0),D(0,2,0),C(2,1,0),M(1,,1).=(2,0,-2),=(1,-,1),=(0,2,0),=(2,-2,0),
∵·=(2,0,-2)·(1,-,1)=0,
∴⊥,∴PB⊥DM.
(2)设平面ADMN的一个法向量为n=(x,y,z),则即解得y=0,x=-z,令x=1,则z=-1,
所以n=(1,0,-1)为平面ADMN的一个法向量.
∵cos 〈n,〉===,
设直线BD和平面ADMN所成的角为θ,
∴sin θ=|cos 〈n,〉|=,
∴BD与平面ADMN所成的角为.
利用法向量求直线与平面夹角的基本步骤
(1)建立空间直角坐标系;
(2)求直线的方向向量;
(3)求平面的法向量n;
(4)计算:设线面角为θ,则sin θ=|cos 〈,n〉|=||=.
如图,长方体ABCDA1B1C1D1中,AB=16,BC=10,AA1=8,点E,F分别在A1B1,D