一、空间角的范围和求法
1.异面直线所成的角范围:0°<θ≤90°
策略毕业论文:①平移法;②补形法③向量法。2.直线与平面所成的角范围:0°≤θ≤90°
策略毕业论文:①几何法;②向量法。3.二面角范围:0°≤θ<180°
策略毕业论文:①定义法;②三垂线定理及其逆定理;③垂面法;④向量法。注:二面角的计算也可利用射影面积公式S'=Scosθ来计算。
二、典型例题精析
1.异面直线所成的角。例1:如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,已知AB=4,AD=3,AA1=2。E、F分别是线段AB、BC上的点,且EB=FB=1。求直线EC1与FD1所成的角的余弦值。思路一:本题易于建立空间直角坐标系,把EC1与FD1所成角看作向量EC1与FD1的夹角,用向量法求解。(图1)
思路二:平移线段C1E让C1与D1重合。转化为平面角,放到三角形中,用几何法求解。
解法一:以A为原点,分别为x轴、y轴、z轴的正向建立空间直角坐标系,则有D1(0,3,2)、E(3,0,0)、F(4,1,0)、C1(4,3,2),于是设EC1
与FD1所成的角为β,则:
∴直线EC1与FD1所成的角的余弦值为
解法二:延长BA至点E1,使AE1=1,连结E1F、DE1、D1E1、DF,有D1C1//E1E,D1C1=E1E,则四边形D1E1EC1是平行四边形。则E1D1//EC1,于是∠E1D1F为直线EC1与FD1所成的角。
在Rt△BE1F中,E1F=√E1E2+BF2=√52+12=√26。在Rt△D1DE1中,D1E1=√DE12+DD12=√AE12+AD2+DD12
=√12+32+22=√14。
在Rt△D1DF中,FD1=√FD2+DD12=
√CF2+CD2+DD12=√22+42+22=√24。
在△E1FD1中,由余弦定理得:
∴直线EC1与FD1所成的角的余弦值为
可见,“转化”是求异面直线所成角的关键。平移线段法,或化为向量的夹角。一般地,异面直线l1、l2的夹角的余弦为:。
2.直线和平面所成的角。斜线和平面所成的角是直角三角形所成的锐角,它的三条边分别是平面的垂线段、斜线段及斜线段在平面内的射影。因此求直线和平面所成的角,几何法一般先定斜足、再作垂线找射影、通过解直角三角形求解;向量法则利用斜线和射影的夹角或考虑法向量,设θ为直线l与平面α所成的角,ω为直线l的方向向量与平面α的法向量之间的夹角,则有ω=
特别地ω=0时,θ=,l⊥α;ω= 时,θ=0,lα或l∥α。
例2:如图4,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,底面是等腰直角三角形,∠ACB=90°,侧棱AA1=2,D,E分别是CC1与A1B的中点,点E在平面ABD上的射影是△ABD的重心G。求A1B与平面ABD所成角的大小。
解:以C为坐标原点,CA所在直线为x轴,CB所在直线为y轴,CC1所在直线为z轴,建立直角坐标系,设CA=CB=a,则A(a,0,0),B(0,a,0)A1(a,0,2)D(0,0,1)
∴ ,,,,
∵点E在平面ABD上的射影是△ABD的重心G,
∴ 平面ABD,∴ ,解得a=2。
∴ , ,
∵ 平面ABD∴ 为平面ABD的法向量。
由 得
,∴ A1B与平面ABD所成的角为 。
评析:①因规定直线与平面所成角θ∈[0,],两向量所成角α∈[0,π],所以用此法向量求出的线面角应满足θ=|-α|。②一般地,设n是平面M的法向量,AB是平面M的一条斜线,A为斜足,则AB与平面M所成的角为:。
3.二面角的求法
几何法:二面角转化为其平面角,要掌握以下三种基本做法:①直接利用定义,图4(1)。
②利用三垂线定理及其逆定理,(2)最常用。
③作棱的垂面,(3)。
另外,特别注意观察图形本身是否已含有所求的平面角。
向量法:①从平面的法向量考虑,设 分别为平面αβ的法向量,二面角α-l-β的大小为θ,向量 的夹角为,则有θ+ =π或θ= (图5)
②如果AB、CD分别是二面角α-l-β的两个面内与棱l垂直的异面直线,则二面角的大小为。
例3:如图6,正三棱柱ABC-A1B1C1的底面边长为3,侧棱AA1= √3,D是CB延长线上一点,且BD=BC。求二面角B1-AD-B的大小。
解:取BC的中点O,连AO。
由题意,平面ABC⊥平面BCC1B1,AO⊥BC,∴AO⊥平面BCC1B1,以O为原点,建立如图6所示空间直角坐标系, 则 , ,,
,∴ , ,,由题意平面ABD,∴ 为平面ABD的法向量。
设平面AB1D的法向量为∴
得故所求二面角B1-AD-B的大小为60 °。
评析:在处理二面角不足时,可能会遇到二面角的具体大小不足,如本题中若取时,会算得 ,
从而所求二面角为120°,但依题意只为60°。因为二面角的大小有时为锐角、直角,有时也为钝角。所以在计算之前不妨先依题意判断一下所求二面角的大小,然后根据计算取“相等角”或取“补角”。
三、归纳与提升
1.空间各种角的计算策略毕业论文都是转化为平面角或两向量的夹角
来计算的,对空间各种角的概念必须深刻理解。平行和垂直可以看作是空间角的特殊情况。2.几何法在书写上体现:“作出来、证出来、指出来、算出来、答出来”五步。
3.向量法通过空间坐标系把空间图形的性质代数化,避开了寻找平面角和垂线段等诸多麻烦,使空间点线面的位置关系的判定和计算程序化、简单化。主要是建系、设点、计算向量的坐标、利用数量积的夹角公式计算。