内容正文:
1.2.4 二面角
课程标准
核心素养目标
能用向量方法解决简单的二面角问题
1.掌握二面角的概念.(数学抽象)
2.理解二面角的平面角的含义.(直观想象、逻辑推理)
3.会用向量法解决二面角的计算问题.(数学运算)
1.二面角及其度量
[微练1]在正方体ABCDA1B1C1D1中,平面B1C1DA与平面BCDA所成的二面角的大小为45°.
2.用空间向量求二面角的大小
(1)如果n1,n2分别是平面α1,α2的一个法向量,设α1与α2所成角的大小为θ,则有θ=〈n1,n2〉或θ=π-〈n1,n2〉,特别地,sin θ=sin 〈n1,n2〉.
(2)设二面角αlβ为θ,平面α,β的法向量分别为n1,n2,有|cos θ|=|cos 〈n1,n2〉|=成立.
利用公式cos 〈n1,n2〉=(n1,n2分别为两平面的法向量)进行求解,注意〈n1,n2〉与二面角大小的关系,是相等还是互补,需结合图形进行判断.
如图(2)(4)中〈n1,n2〉就是二面角αlβ的平面角的补角;如图(1)(3)中〈n1,n2〉就是二面角αlβ的平面角.
[微练2]在三棱锥ABCD中,平面ABD与平面BCD的法向量分别为n1,n2,若〈n1,n2〉=,则二面角ABDC的大小为( C )
A. B.
C.或 D.或
解析:∵二面角的范围是[0,π],且〈n1,n2〉=,∴二面角ABDC的大小为或.故选C.
知识点一
定义法求二面角
如图所示,PC⊥平面ABC,AB=BC=CA=PC,求二面角BPAC的平面角的正切值.
解:∵PC⊥平面ABC,∴平面PAC⊥平面AB,
交线为AC.作BD⊥AC于点D,
据面面垂直性质定理,BD⊥平面PAC,作DE⊥PA于点E,连接BE,据三垂线定理,则BE⊥PA,
从而∠BED是二面角BPAC的平面角.
设PC=a,依题意知△ABC是边长为a的正三角形,
∴D是AC的中点,且BD=a.
∵PC=CA=a,∠PCA=90°,∴∠PAC=45°,
∴在Rt△DEA中,ED=AD·sin 45°=·=a,
则在Rt△BED中,tan ∠BED===.
故二面角BPAC的平面角的正切值为.
利用定义法求两平面夹角的步骤
(1)由定义作出二面角的平面角;
(2)利用三垂线定理(逆定理)作出二面角的平面角;
(3)作二面角棱的垂面,则垂面与二面角两个面的交线所成的角就是二面角的平面角.
如图,已知二面角αaβ等于120°,PA⊥α,A∈α,PB⊥β,B∈β,求∠APB的大小.
解:设平面PAOB∩α=OA,平面PAOB∩β=OB.
∵PA⊥α,a⊂α,∴PA⊥a.
同理PB⊥a.∴a⊥平面PAOB.
又∵OA⊂平面PAOB,∴a⊥OA.
同理a⊥OB.
∴∠AOB是二面角αaβ的平面角.
在四边形PAOB中,∠AOB=120°,∠PAO=∠PBO=90°,所以∠APB=60°.
知识点二
向量法求二面角
(2021·新高考Ⅱ卷)在四棱锥QABCD中,底面ABCD是正方形,若AD=2,QD=QA=,QC=3.
(1)证明:平面QAD⊥平面ABCD;
(2)求二面角BQDA的平面角的余弦值.
(1)证明:取AD的中点E,连接QE,
∵QD=QA=,∴QE⊥AD.
∵AD=2,∴DE=1,
∴QE==2,CE==.
∴QE2+CE2=9=QC2,∴QE⊥CE.
又∵AD∩CE=E,AD⊂平面ABCD,CE⊂平面ABCD,
∴QE⊥平面ABCD,
∵QE⊂平面QAD,∴平面QAD⊥平面ABCD.
(2)解:取BC中点F,连接EF,易得EF,ED,EQ两两垂直,如图,分别以EF,ED,EQ所在的直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系.
则B(2,-1,0),Q(0,0,2),D(0,1,0),
∴=(-2,1,2),=(0,1,-2).
设平面BQD的一个法向量n1=(x,y,z),
则⇒
取z=1,可得x=2,y=2,∴n1=(2,2,1).
易知平面QDA的一个法向量n2=(1,0,0),
设二面角BQDA的平面角为θ,则θ为锐角.
cos θ=|cos 〈n1,n2〉|===.
∴二面角BQDA的平面角的余弦值为.
利用向量法求两平面夹角的步骤
(1)建立空间直角坐标系;
(2)分别求出两个平面的法向量n1和n2;
(3)设平面间的夹角为θ,则cos θ=|cos 〈n1,n2〉|;
(4)利用余弦值,确定平面间的夹角的大小.
如图,长方体ABCDA1B1C1D1的底面ABCD是正方形,点E在棱AA1上,BE⊥EC1.
(1)证明:BE⊥平面EB1C1;
(2)若AE=A1E,求二面角BECC1的正弦值.
(1)证明:由已知得,B1C