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)
图3
在中,由
,且
,可得
。
再由正,可得AC=BC=PC,则
。
又。
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,可知是
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
。
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设所求二面角的大小为
,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。