立体几何中的二面角问题探究培优讲义-2024-2025学年高二上学期数学人教A版(2019)选择性必修第一册

2024-09-19
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高二培优资料—立体几何中的二面角问题探究 一、真题赏析 1.(2024年·新高考Ⅰ卷)如图,四棱锥中,底面ABCD,,. (1) 若,证明:平面; (2)若,且二面角的正弦值为,求. 2.(2022·新高考Ⅰ卷)如图,直三棱柱ABC-A1B1C1的体积为4,△A1BC的面积为2. (1)求A到平面A1BC的距离; (2)设D为A1C的中点,AA1=AB,平面A1BC⊥平面ABB1A1,求二面角A-BD-C的正弦值. 二、几何法解二面角问题 类型一 定义法 定义法:在二面角的棱上找一个特殊点,在两个半平面内分别作垂直于棱的射线.如图,∠AOB为二面角α-l-β的平面角. 例1 如图,在三棱锥V-ABC中,VA=AB=VB=AC=BC=2,VC=,求二面角V-AB-C的大小. 类型二 垂面法 垂面法:过棱上一点作棱的垂直平面,该平面与二面角的两个半平面各有一条交线,这两条交线所成的角即二面角的平面角.如图,∠AOB为二面角α-l-β的平面角. 例2 如图,将正方形A1BCD折成直二面角A-BD-C,则二面角A-CD-B的余弦值为(  ) A. B. C. D. 类型三 垂线法 垂线法(三垂线定理的应用):过二面角的一个面内异于棱上的点A向另一个平面作垂线,垂足为B,由点B向二面角的棱作垂线,垂足为O,连接AO,则∠AOB为二面角的平面角或其补角.如图,∠AOB为二面角α-l-β的平面角. 例3 如图,平面β内一条直线AC,AC与平面α所成的角为30°,AC与棱BD所成的角为45°,求二面角α-l-β. 例4 如图,在三棱锥S-ABC中,∠SAB=∠SAC=∠ABC=90°,SA=AB,SB=BC. (1)证明:平面SBC⊥平面SAB; (2)求二面角A-SC-B的平面角的正弦值. 类型四 射影面积法 若多边形的面积为S,它在一个平面内的射影图形的面积为S′,且多边形与该平面所成的二面角为θ,则cos θ=.特别地,当题中要求的二面角是无棱二面角时,有时棱很难找出,这时用射影面积法尤为简单. 例5 在四棱锥P-ABCD中,四边形ABCD为正方形,PA⊥平面ABCD,PA=AB=a,求平面PBA与平面PDC所成二面角的大小. 例6 如图所示,多面体是由以四边形ABCD为底面的直四棱柱被截面AEFG所截而得到的,该直四棱柱的底面为菱形,其中AB=2,CF=5,BE=1,∠BAD=60°. (1)求BG的长; (2)求平面AEFG与底面ABCD所成锐二面角的余弦值. 三、立体几何中的探索性问题 例7如图,三棱柱ABC-A1B1C1的底面是等边三角形,平面ABB1A1⊥平面ABC,A1B⊥AB,AC=2,∠A1AB=60°,O为AC的中点. (1)求证:AC⊥平面A1BO; (2)试问线段CC1上是否存在点P,使得平面POB与平面A1OB夹角的余弦值为,若存在,请计算的值;若不存在,请说明理由. 例8 如图,四棱锥S-ABCD的底面是正方形,每条侧棱的长都是底面边长的倍,P为侧棱SD上的点. (1)求证:AC⊥SD; (2)若SD⊥平面PAC,求平面PAC与平面DAC夹角的大小; (3)在(2)的条件下,侧棱SC上是否存在一点E,使得BE∥平面PAC.若存在,求SE∶EC的值;若不存在,请说明理由. 1 学科网(北京)股份有限公司 $$ 高二培优资料—立体几何中的二面角问题探究 一、真题赏析 1.(2024年·新高考Ⅰ卷)如图,四棱锥中,底面ABCD,,. (1) 若,证明:平面; (2)若,且二面角的正弦值为,求. 【详解】(1)因为平面,而平面,所以, 又,,平面,所以平面,而平面,所以. 因为,所以, 根据平面知识可知,又平面,平面,所以平面. (2)如图所示,过点D作于,再过点作于,连接,因为平面,所以平面平面,而平面平面,所以平面,又,所以平面, 根据二面角的定义可知,即为二面角的平面角,即,即. 因为,设,则,由等面积法可得,, 又,而为等腰直角三角形,所以, 故,解得,即. 2.(2022·新高考Ⅰ卷)如图,直三棱柱ABC-A1B1C1的体积为4,△A1BC的面积为2. (1)求A到平面A1BC的距离; (2)设D为A1C的中点,AA1=AB,平面A1BC⊥平面ABB1A1,求二面角A-BD-C的正弦值. 解 (1)设点A到平面A1BC的距离为h,因为直三棱柱ABC-A1B1C1的体积为4, 所以=S△ABC·AA1==,又△A1BC的面积为2, ==×2h=,所以h=,即点A到平面A1BC的距离为. (2)取A1B的中点E,连接AE,则AE⊥A1B. 因为平面A1BC⊥平面ABB1A1,平面A1BC∩平面ABB1A1=A1B,AE⊂平面ABB1A1, 所以AE⊥平面A1BC,又BC⊂平面A1BC,所以AE⊥BC. 又AA1⊥平面ABC,BC⊂平面ABC,所以AA1⊥BC. 因为AA1∩AE=A,AA1,AE⊂平面ABB1A1,所以BC⊥平面ABB1A1, 又AB⊂平面ABB1A1,所以BC⊥AB. 以B为坐标原点,分别以,,的方向为x,y,z轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系B-xyz, 由(1)知,AE=,所以AA1=AB=2,A1B=2. 因为△A1BC的面积为2,所以2=·A1B·BC,所以BC=2,所以A(0,2,0),B(0,0,0),C(2,0,0),A1(0,2,2),D(1,1,1),E(0,1,1),则=(1,1,1),=(0,2,0). 设平面ABD的一个法向量为n=(x,y,z),则即 令x=1,得n=(1,0,-1).又平面BDC的一个法向量为=(0,-1,1),所以cos〈,n〉===-.设二面角A-BD-C的平面角为θ,则sin θ==,所以二面角A-BD-C的正弦值为. 二、几何法解二面角问题 类型一 定义法 定义法:在二面角的棱上找一个特殊点,在两个半平面内分别作垂直于棱的射线.如图,∠AOB为二面角α-l-β的平面角. 例1 如图,在三棱锥V-ABC中,VA=AB=VB=AC=BC=2,VC=,求二面角V-AB-C的大小. 解 取AB的中点D,连接VD,CD, ∵在△VAB中,VA=VB=AB=2,∴△VAB为等边三角形, ∴VD⊥AB且VD=,同理CD⊥AB,CD=,∴∠VDC为二面角V-AB-C的平面角, 而△VDC是等边三角形,∠VDC=60°,∴二面角V-AB-C的大小为60°. 类型二 垂面法 垂面法:过棱上一点作棱的垂直平面,该平面与二面角的两个半平面各有一条交线,这两条交线所成的角即二面角的平面角.如图,∠AOB为二面角α-l-β的平面角. 例2 如图,将正方形A1BCD折成直二面角A-BD-C,则二面角A-CD-B的余弦值为(  ) A. B. C. D. 答案 B 解析 ∵以正方形A1BCD的对角线BD为棱折成直二面角,∴平面ABD⊥平面BCD. 连接A1C交BD于点O,连接AO,则AO⊥BD,∵平面ABD∩平面BCD=BD,AO⊂平面ABD, ∴AO⊥平面BCD,∴AO⊥CD.取CD的中点M,连接OM,AM,则OM∥BC, ∴OM⊥CD,∴CD⊥平面AOM,∴∠AMO即为二面角A-CD-B的平面角. 不妨设正方形A1BCD的边长为2,则AO=,OM=1,∴AM==.∴cos ∠AMO==. 类型三 垂线法 垂线法(三垂线定理的应用):过二面角的一个面内异于棱上的点A向另一个平面作垂线,垂足为B,由点B向二面角的棱作垂线,垂足为O,连接AO,则∠AOB为二面角的平面角或其补角.如图,∠AOB为二面角α-l-β的平面角. 例3 如图,平面β内一条直线AC,AC与平面α所成的角为30°,AC与棱BD所成的角为45°,求二面角α-l-β. 解 如图,过A作AF⊥BD,F为垂足,作AE⊥平面α,E为垂足,连接EF,CE, ∴由三垂线定理知BD⊥EF,∴∠AFE为二面角α-l-β的平面角.依题意知∠ACF=45°,∠ACE=30°, 设AC=2,∴AF=CF=,AE=1,∴sin∠AFE===,∴∠AFE=45°.∴二面角α-l-β的平面角为45°. 例4 如图,在三棱锥S-ABC中,∠SAB=∠SAC=∠ABC=90°,SA=AB,SB=BC. (1)证明:平面SBC⊥平面SAB; (2)求二面角A-SC-B的平面角的正弦值. (1)证明 ∵∠SAB=∠SAC=90°,∴SA⊥AB,SA⊥AC,又AB∩AC=A,AB,AC⊂平面ABC, ∴SA⊥平面ABC,又BC⊂平面ABC,∴SA⊥BC, 又AB⊥BC,SA∩AB=A,SA,AB⊂平面SAB,∴BC⊥平面SAB, 又BC⊂平面SBC,∴平面SBC⊥平面SAB. (2)解 取SB的中点D,连接AD, 则AD⊥SB,由(1)知平面SBC⊥平面SAB,平面SBC∩平面SAB=SB,AD⊂平面SAB, ∴AD⊥平面SBC.作AE⊥SC,垂足为点E,连接DE,则DE⊥SC, 则∠AED为二面角A-SC-B的平面角.设SA=AB=2,则SB=BC=2,AD=,AC=2,SC=4. 由题意得AE=,在Rt△ADE中,sin∠AED===, ∴二面角A-SC-B的平面角的正弦值为. 类型四 射影面积法 若多边形的面积为S,它在一个平面内的射影图形的面积为S′,且多边形与该平面所成的二面角为θ,则cos θ=.特别地,当题中要求的二面角是无棱二面角时,有时棱很难找出,这时用射影面积法尤为简单. 例5 在四棱锥P-ABCD中,四边形ABCD为正方形,PA⊥平面ABCD,PA=AB=a,求平面PBA与平面PDC所成二面角的大小. 解 如图,∵PA⊥平面ABCD,AD⊂平面ABCD, ∴PA⊥AD.又AD⊥AB,且PA∩AB=A,PA,AB⊂平面PAB, ∴AD⊥平面PAB,同理BC⊥平面PAB,∴△PCD在平面PBA上的射影为△PAB. 设平面PBA与平面PCD所成的二面角的大小为θ,∴cos θ===,∴θ=45°. 故平面PBA与平面PCD所成的二面角的大小为45°. 例6 如图所示,多面体是由以四边形ABCD为底面的直四棱柱被截面AEFG所截而得到的,该直四棱柱的底面为菱形,其中AB=2,CF=5,BE=1,∠BAD=60°. (1)求BG的长; (2)求平面AEFG与底面ABCD所成锐二面角的余弦值. 解 (1)由题意易得四边形AEFG为平行四边形,所以AE=GF.设DG的长为x, 则=,解得x=4.在Rt△GDB中,可得BG==2,所以BG的长为2. (2)因为多面体是由以四边形ABCD为底面的直四棱柱被截面AEFG所截而得到,所以GD⊥平面ABCD,FC⊥平面ABCD,EB⊥平面ABCD,则四边形AEFG在平面ABCD上的射影就是四边形ABCD,由(1)知四边形AEFG是平行四边形,AE=,EF=2,GE=.设平面AEFG与底面ABCD所成锐二面角的大小为θ,则cos θ===. 三、立体几何中的探索性问题 例7如图,三棱柱ABC-A1B1C1的底面是等边三角形,平面ABB1A1⊥平面ABC,A1B⊥AB,AC=2,∠A1AB=60°,O为AC的中点. (1)求证:AC⊥平面A1BO; (2)试问线段CC1上是否存在点P,使得平面POB与平面A1OB夹角的余弦值为,若存在,请计算的值;若不存在,请说明理由. (1)证明 ∵△ABC是等边三角形,O是AC的中点,∴AC⊥OB, ∵平面ABB1A1⊥平面ABC,平面ABB1A1∩平面ABC=AB,A1B⊥AB,A1B⊂平面ABB1A1, ∴A1B⊥平面ABC,∵AC⊂平面ABC,∴A1B⊥AC,∵AC⊥OB,A1B∩OB=B,A1B,OB⊂平面A1BO,∴AC⊥平面A1BO. (2)解 存在,线段CC1的中点P满足题意.理由如下:由(1)得A1B⊥平面ABC, OB⊥AC,以O为坐标原点,OA,OB,所在直线分别为x轴、y轴,过点O作Oz∥A1B,以Oz所在直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系, 则O(0,0,0),B(0,,0),C(-1,0,0),A(1,0,0),A1(0,,2),则=(0,,0),=(-1,,2), 设=t=t=(-t,t,2t),0≤t≤1, 则=+=(-1-t,t,2t), 易知平面A1OB的一个法向量为n=(1,0,0),设平面POB的法向量为m=(x,y,z), 则取x=2t,则m=(2t,0,t+1), 由题意得|cos〈n,m〉|===,∵0≤t≤1,∴解得t==, ∴线段CC1上存在点P,使得平面POB与平面A1OB夹角的余弦值为,此时=. 例8 如图,四棱锥S-ABCD的底面是正方形,每条侧棱的长都是底面边长的倍,P为侧棱SD上的点. (1)求证:AC⊥SD; (2)若SD⊥平面PAC,求平面PAC与平面DAC夹角的大小; (3)在(2)的条件下,侧棱SC上是否存在一点E,使得BE∥平面PAC.若存在,求SE∶EC的值;若不存在,请说明理由. (1)证明 如图,连接BD交AC于点O,连接SO. 由题意知,SO⊥平面ABCD,以O为坐标原点,以OB,OC,OS所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系.设底面边长为a,则高SO=a,于是S,D,C. 于是=,=.则·=0,所以⊥, 故OC⊥SD,从而AC⊥SD. (2)解 由题设知,平面PAC的一个法向量为=, 平面DAC的一个法向量为=.设平面PAC与平面DAC的夹角为θ, 则cos θ=|cos〈,〉|===,所以平面PAC与平面DAC夹角的大小为30°. (3)解 假设在棱SC上存在一点E使BE∥平面PAC.由(2)知是平面PAC的一个法向量, 且=,=. 设=t(0≤t≤1),因为B,C,所以=, 则=+=+t=.由·=0,得-+0+a2t=0,解得t=, 当SE∶EC=2∶1时,⊥.由于BE⊄平面PAC,故BE∥平面PAC.因此在棱SC上存在点E,使BE∥平面PAC,此时SE∶EC=2∶1. 1 学科网(北京)股份有限公司 $$

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