二面角的度量問題是立幾中學生比較困難的乙個問題,課本上是通過它的平面角來進行度量的,關鍵在於充分利用平面角的定義。下面來介紹求二面角的大小的幾種方法:
直二面角情況:一般是通過幾何求證的方法,主要依據是直線與平面垂直的判定定理。
例1. 如圖 abcd是矩形,ab =a,bc =b (a >b),沿對角線ac把 △adc 折起,使 ad ⊥bc,證明:平面 abd ⊥平面bcd。
證明:由題意可知:
ad ⊥bc,ad⊥dc
∴ ad⊥面bcd
又 ad 面abd
∴ 平面abd⊥平面bcd
例2. 在四稜錐 a-bcde中,底面是直角梯形,其中 bc∥de,∠bcd =90°,且 de =cd =bc,又ab =ae =bc,ac =ad,
求證:面abe⊥面bcd。
證明:取be的中點m,cd的中點n,
鏈結 am,an,mn,
ab =ac (已知)
am⊥be
同理 ac =ad 有an⊥cd
在直角梯形bcde中,
m、n分別是be、cd的中點
mn ∥bc
又 ∠bcd =90°
mn⊥cd
cd⊥面amn
cd⊥am
又 am⊥be,cd、be 是梯形的兩個腰,即它們一定相交,
am ⊥面bcd, 又am面abe
面abe⊥面bcd。
當二面角不是直二面角時可以採用下面幾種方法。
1.充分利用二面角的定義,證明某角即為二面角的平面角,如找不到現成的,則可以通過三垂線定理或其逆定理把它作出來再計算。
例3.如圖三稜錐 p-abc中,pc⊥平面abc,pc = ,d是 bc的中點,且△adc是邊長為 2的正三角形,求二面角 p-ab-c的大小。
解:由已知條件,d是bc的中點
∴ cd =bd =2 又△adc是正三角形
∴ ad =cd =bd =2
∴ d是△abc之外心又在bc上
∴ △abc是以∠bac為直角的三角形,
∴ ab⊥ac, 又 pc⊥面abc
∴ pa⊥ab (三垂線定理)
∴∠pac即為二面角 p-ab-c之平面角,
易求 ∠pac =30°
例4.如圖在三稜錐 s-abc中,sa⊥底面abc,ab⊥bc,de 垂直平分sc,且分別交 ac、sc於d、e,又sa =ab,bs =bc, 求以bd為稜,bde與bdc為面的二面角的度數。
解:∵ bs =bc,又de垂直平分sc
∴ be⊥sc,sc⊥面bde
∴ bd⊥sc,又sa⊥面abc
∴ sa⊥bd,bd⊥面sac
∴ bd⊥de,且bd⊥dc
則 ∠edc就是所要求的平面角
設 sa =ab =a,
則 bc =sb =a 且 ac =
易證 △sac∽△dec
∴ ∠cde =∠sac =60°
例5. 如圖:abcd是矩形,ab =8,bc =4,ac 與 bd 相交於o點,p是平面 abcd外一點,po⊥面abcd,po =4,m 是 pc 的中點,求二面角 m-bd-c 大小。
解:取oc之中點n,則 mn∥po
∵ po⊥面abcd
∴ mn⊥面abcd 且 mn =po/2 =2,
過 n 作 nr⊥bd 於 r,連mr,
則 ∠mrn即為二面角 m-bd-c的平面角
過 c 作 ce⊥bd於s
則 rn =ce 在 rt△bcd中,cd·bc =bd·ce
∴2.利用
此方法的優點只要找出射影圖形及兩個面積,不需要找出兩面角的平面角,缺點是計算相對煩一些。
例6.如圖△abc與△bcd所在平面垂直,且ab =bc =bd,∠abc =∠dbc =,求二面角 a-bd-c的余弦值。
解:過 a作 ae⊥cb的延長線於e, 鏈結 de,
∵ 面abc⊥面bcd
∴ ae⊥面bcd
∴ e點即為點a在面bcd內的射影
∴ △ebd為△abd在面bcd內的射影設 ab =a 則ae =de =absin60°=
∴ ad =,
∴ sin∠abd =
又 ∴
∴ 考慮到我們求的是二面角 a-bd-e,而二面角 a-bd-c與a-bd-c互補
∴ 二面角 a-bd-c的余弦值為。
例7.已知正方體 ac',m、n分別是bb',dd'的中點,求截面 amc'n與面abcd,cc'd'd所成的角。
解:設邊長為a,易證 anc'n是菱形
且mn =,a'c =
∴s□amc'n =
由於amc'n在面abcd上的射影即
為正方形abcd
abcd =
∴∴取cc'的中點m',鏈結dm'
則平行四邊形dm'c'n是四邊形amc'n在cc'd'd上的射影,
dm'c'm =
∴ 3.利用公式
這個公式是異面直線上二點的距離公式,我們稍作改造便可以用於求二面角的大小。
事實上,以公垂線aa'與 a構成平面α,aa'與b 構成平面β,則θ是兩異面直線所成的角變成了二面角α-aa'-β的平面角或它的補角(要注意它們的範圍可能發生了變化)。
例8.如圖 ac⊥面bcd,bd⊥面acd,若ac =cd =1,∠abc =30°,求二面角的大小。
解:作df⊥ab於f,ce⊥ab於e,
∵ ac =cd =1 ∠abc =30°
∴ ad =,bc = ,
ab =2, bd =
在rt△abc中,
,同理∴∴∴即所求角的大小為。
例9. 三稜錐 a-bcd中,∠bac =∠bcd =90°,∠dbc =30°,ab =ac =,ad =4,求二面角 a-bc-d 的度數。
解:由已知條件∠bac =90°,ab =ac,
設bc的中點設為o,則oa =oc =
bc =
∴ 解之得:∴
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