高中数学——无棱二面角的求解方法

2018年07月06日 浏览:

求二面角的基本方法是按二面角大小的定义,作出二面角的平面角,求出平面角的大小即可。但有些题目中没有给出两个面的交线,难以直接作出二面角的平面角。就这种情况给出若干种求解方法。

如图1,正三棱柱的各棱长都是1,M是棱的中点,求截面与底面ABC所成锐角二面角的大小。

图1

一、平移法

两个平行平面与第三个平面相交,所成的两个同向二面角相等。根据这个道理,可将二面角的一个面或两个面平移到适当的位置,使其相交,构成一个易求解的二面角。

解法1:如图2,取的中点D,AB的中点E,则平面DEC中的DE//,则面DEC,面DEC,从而面面DEC。这样,面与面ABC所成的锐二面角等于面DEC与面ABC所成的锐二面角,即二面角

图2

由题设条件的正三棱柱,易知,则是二面角的平面角。

在等腰中,。所以面与面ABC所成的锐二面角为

二、补形法

将二面角的两个面延展,确定出两个面的交线,从而构成一个完整的二面角。

解法2:延长与AC,相交于点P,连结BP,则所求的二面角是(图3)

升心习技公9d4cd32d-4634东学是网b73f优术司41f3广量件元途科有a546慧4131限软

图3

中,由,且,可得

再由正,可得AC=BC=PC,则

所以是二面角的平面角。

由等腰,知

三、射影法

设二面角的大小为,面内有一个面积为S的封闭图形,该图形在面内的射影面积为S',则。利用这个结论,只要计算S和S'的值,就可求出二面角的大小。这种方法可以免去寻找二面角的平面角及其证明过程。

解法3:由正三棱柱的条件,可知在底面内的射影。取的中点N,连结MN,易求得

则等腰的面积

等边的面积

网b73f限97ef学是76b46afd68133707途广量e37923b9上软bb65优术有a546的点慧4131术科得司41f3公9d4cd32d-46344d17东技的元件升心习
设所求二面角的大小为,由

,得

四. 向量法

设二面角的大小为分别是平面和平面的法向量,则角与角<>相等或互补。所以。特别地,当为锐角时,

解法4:以B为原点,与AC平行的直线为x轴,与AC垂直且相交的直线为y轴,为z轴,建立如图4所示的空间直角坐标系,知B(0,0,0),M。从而

图4

设平面的法向量是,则由,有

取特值,可解得。所以

显然可取平面ABC的一个法向量为

设平面与平面所成锐角二面角为,由

得所求二面角的大小为