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二面角的平面角的作法

发布时间:2021-07-10 08:52:29 浏览数:

求二面角大小的问题始终是高考的热点难点内容之一,而做出二面角的平面角是解决此类问题的关键,笔者通过解题积累,总结出了作二面角平面角的一般性方法,先请看下面的一个典型示例。

如下图,在四面体A-BCD中,已知AB⊥面BCD,CD⊥面ABC,AB=1,AD=2,CD=■,求二面角B-AD-C的大小。

解析:二面角B-AD-C的两个半平面为面BAD和面CAD,先在其中一个半平面内如面CAD取一恰当点C作另一半平面BAD的垂线,作CE⊥BD,设垂足为E,由AB⊥面BCD得AB⊥CE,所以CE⊥面BAD。然后过点C(或E)作CF⊥AD(或EF⊥AD),设垂足为F,连结EF,易证AD⊥面CEF,因此有AD⊥CF且AD⊥EF,所以∠CFE就是所求二面角的一个平面角。

当然也可在半平面BAD内取恰当点B作半平面CAD的垂线,如图,作BM⊥AC,易证BM⊥面CAD,然后作BN⊥AD,连结MN,则易证AD⊥面BMN,所以AD⊥BN且AD⊥MN,因此∠BNM为所求二面角的平面角。

通过上面的例子,我们可以抽象出对于锐二面角的平面角的一般性作法来。即先在二面角中一个半平面内选取一恰当点A作另一半平面的垂线,设垂足为M,然后过点A或M作二面角交线的垂线,设垂足为N,则∠ANM为所求二面角的平面角,然后解Rt△AMN,求∠ANM,需要特别指出的是:选取恰当点的用处是为了保证Rt△AMN在已知条件下可解。下面运用上述方法来解决几道高考题。

例1(09年山东)

如图,在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD为等腰梯形,AB∥CD,AB=4,BC=CD=2,AA1=2,F为AB中点,求二面角B-FC1-C的余弦值。

解析:选取恰当点B作BO⊥CF,设垂足为O,易证BO⊥面FC1C,再作OP⊥FC1,连BP,则C1F⊥面BOP,因此∠BPO为所求二面角的平面角,再解Rt△BOP。在△BCF中,由BF=BC=2,BC=DA=CF=2,所以△BCF为正三角形,所以O为CF中点,BO=■,而△FC1C为等腰直角三角形,所以OP=FOsin45°=■,所以tan∠BPO=■=■,所以cos∠BPO=■。

例2(09年天津)在五面体ABCDEF中,FA⊥平面ABCD,AD∥BC∥EF,AB⊥AD,AF=AB=BC=FE=AD,求二面角A-CD-E的余弦值。

解析:选取恰当点E点,过E点作EP⊥AD,则易知EP⊥面ACD且M为AD中点,作PQ⊥CD,连结EQ,则∠EQP为所求二面角的平面角,易知△CPD为等腰直角三角形,设CP=a,则PQ=■a,所以tan∠EQP=■=■,所以cos∠EQP=■。

例3(09年重庆)如图在四棱锥S-ABCD,AD∥BC且AD⊥CD,平面CSD⊥平面ABCD,CS⊥DS,CS=2AD=2,E为BS的中点,CE=■,AS=■。求二面角E-CD-A的大小。

解析:本题若直接求E-CD-A的大小则较难,但由于平面CSD⊥平面ABCD,因此不难发现二面角 E-CD-A和E-CD-S的大小之和为90°,所以可转而先求二面角E-CD-S的大小,为此,在半平面CDE内取恰当点E,过E作EF⊥CS,易证BC⊥平面CSD,所以EF⊥半平面CSD,且F为CS中点,再作FG⊥CD,连结EG,则∠FGE为二面角E-CD-S的平面角,在RT△ASD中,由AS=■,AD=1,所以SD=■,所以tan∠DCS=■=■,所以sin∠DCS=■,所以FG=CFsin∠DCS=■。在RT△CFE中,由CF=1,CE=■,得FE=1,所以tan∠FGE=■=■,所以∠FGE=60°,从而二面角E-CD-A的大小为30°。

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