射影面积法求二面角
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二面角的作与求求角是每年高考必考内容之一,可以做为选择题,也可作为填空题,时常作为解答题形式出现,重点把握好二面角,它一般出现在解答题中。
下面就对求二面角的方法总结如下:1、定义法:在棱上任取一点,过这点在两个面内分别引棱的垂线,这两条射线所成的角就是二面角的平面角。
2、三垂线定理及逆定理法:自二面角的一个面上的一点向另一个面引垂线,再由垂足向棱作垂线得到棱上的点。
斜足与面上一点连线,和斜足与垂足连线所夹的角即为二面角的平面角。
3、作棱的垂面法:自空间一点作与棱垂直的平面,截二面角的两条射线所成的角就是二面角的平面角。
4、投影法:利用s投影面=s被投影面θcos 这个公式对于斜面三角形,任意多边形都成立,是求二面角的好方法。
尤其对无棱问题5异面直线距离法: EF 2=m 2+n 2+d 2-2mn θcos例1:若p 是ABC ∆所在平面外一点,而PBC ∆和ABC ∆都是边长为2的正三角形,PA=6,求二面角P-BC-A 的大小。
分析:由于这两个三角形是全等的三角形, 故采用定义法解:取BC 的中点E ,连接AE 、PEAC=AB ,PB=PC ∴AE ⊥ BC ,PE ⊥BC∴PEA ∠为二面角P-BC-A 的平面角在PAE ∆中AE=PE=3,PA=6PCBAE∴PEA ∠=900∴二面角P-BC-A 的平面角为900。
例2:已知ABC ∆是正三角形,⊥PA 平面ABC 且PA=AB=a,求二面角A-PC-B 的大小。
[思维]二面角的大小是由二面角的平面角 来度量的,本题可利用三垂线定理(逆)来作 平面角,还可以用射影面积公式或异面直线上两点 间距离公式求二面角的平面角。
解1:(三垂线定理法)取AC 的中点E ,连接BE ,过E 做EF ⊥PC,连接BF ⊥PA 平面ABC ,PA ⊂平面PAC∴平面PAC ⊥平面ABC, 平面PAC 平面ABC=AC∴BE ⊥平面PAC由三垂线定理知BF ⊥PC∴BFE ∠为二面角A-PC-B 的平面角设PA=1,E 为AC 的中点,BE=23,EF=42∴tan BFE ∠=6=EFBE∴BFE ∠=arctan 6解2:(三垂线定理法)取BC 的中点E ,连接AE ,PE 过A 做AF ⊥PE, FM ⊥PC,连接FMAB=AC,PB=PC ∴AE ⊥BC,PE ⊥BC∴ BC ⊥平面PAE,BC ⊂平面PBC∴平面PAE ⊥平面PBC, 平面PAE 平面PBC=PE由三垂线定理知AM ⊥PCPC BAEF MEPCBAF图1图2∴FMA ∠为二面角A-PC-B 的平面角设PA=1,AM=22,AF=721.=PE AE AP∴sin FMA ∠=742=AM AF ∴FMA ∠=argsin742解3:(投影法)过B 作BE ⊥AC 于E,连结PE ⊥PA 平面ABC ,PA ⊂平面PAC∴平面PAC ⊥平面ABC, 平面PAC 平面ABC=AC∴BE ⊥平面PAC∴PEC ∆是PBC ∆在平面PAC 上的射影设PA=1,则PB=PC=2,AB=141=∆PEC S ,47=∆PBC S由射影面积公式得,77cosarg ,77=∴==∆∆θθPBC PEC S S COS , 解4:(异面直线距离法)过A 作AD ⊥PC,BE ⊥PC 交PC 分别于D 、E 设PA=1,则AD=22,PB=PC=2 ∴BE=PC S PBC 21∆=414,CE=42,DE=42由异面直线两点间距离公式得 AB 2=AD 2+BE 2+DE 2-2ADBE θCOS ,θCOS =77cos arg ,77=∴θ [点评]本题给出了求平面角的几种方法,应很好掌握。
二面角求法总结一、定义法定义法是求二面角的基本方法,它通过定义二面角的平面角来求解。
具体来说,如果两个平面相交,那么它们会在交线上形成一个角,这个角就是二面角的平面角。
通过找到这个角的两边,我们可以使用三角函数来求解这个角的大小。
二、垂线法垂线法是一种常用的求二面角的方法,它通过找到一个垂直于两个平面的交线的直线,并将这个直线延长到一个已知点,然后使用三角函数来求解这个角的大小。
这个方法的关键在于找到正确的垂线,并且这个垂线应该是垂直于交线的。
三、射影面积法射影面积法是一种利用射影面积定理求解二面角的方法。
通过找到两个平面上的两条射线和它们之间的夹角,我们可以使用射影面积定理来求解这个角的大小。
这种方法需要先找到正确的射线和夹角,然后使用射影面积定理来计算结果。
四、三垂线定理法三垂线定理法是一种利用三垂线定理来求解二面角的方法。
如果一个平面内的直线与另一个平面垂直,那么这个直线与第一个平面的交点与第二个平面的交点的连线与原直线的夹角就是要求的二面角。
这种方法的关键在于找到正确的三垂线定理的应用条件,并且正确地应用三垂线定理来计算结果。
五、角平分线法角平分线法是一种利用角平分线定理来求解二面角的方法。
如果一个平面内的角平分线与另一个平面垂直,那么角平分线与原直线的夹角就是要求的二面角。
这种方法的关键在于找到正确的角平分线的应用条件,并且正确地应用角平分线定理来计算结果。
六、向量法向量法是一种利用向量的数量积和向量积来求解二面角的方法。
通过找到两个平面上的两个向量,我们可以使用向量的数量积和向量积来计算这两个向量的夹角,这个夹角就是要求的二面角。
这种方法的关键在于正确地找到两个向量,并且正确地应用向量的数量积和向量积来计算结果。
七、坐标法坐标法是一种利用坐标系来求解二面角的方法。
通过建立适当的坐标系,我们可以将二面角的问题转化为求解一个几何量的值的问题。
这种方法的关键在于建立正确的坐标系,并且正确地使用代数方法来计算结果。
射影面积法求二面角原理引言:在几何学中,二面角是指由两个平面所夹成的角度,它是空间几何中的基本概念之一。
求解二面角的方法有很多种,其中一种常用的方法是射影面积法。
本文将介绍射影面积法求解二面角的原理和应用。
一、二面角的定义和性质二面角是由两个平面所夹成的角度,可以用来描述两个平面的夹角大小。
二面角有以下性质:1. 二面角的大小范围是0°到180°之间;2. 二面角的大小与两个平面的夹角大小有关,但不仅仅取决于两个平面的夹角;3. 二面角的大小与两个平面的位置有关,即两个平面的相对位置不同,二面角的大小也会有所变化。
二、射影面积法的原理射影面积法是一种常用的求解二面角的方法,它基于以下原理:1. 任意两个平面所夹成的角度可以通过两个平面的射影面积来求解;2. 射影面积是指一个平面在另一个平面上的投影面积,可以用来表示两个平面之间的夹角大小;3. 射影面积可以通过投影公式和向量运算来计算。
三、射影面积法的应用射影面积法在几何学和物理学中有广泛的应用,其中包括以下几个方面:1. 几何学中的角度计算:通过射影面积法可以计算任意两个平面所夹的角度大小,从而求解几何问题;2. 物理学中的力学问题:在力学问题中,二面角可以表示两个力的夹角,通过射影面积法可以计算力的合成和分解;3. 工程学中的结构设计:在结构设计中,二面角可以表示两个构件的夹角,通过射影面积法可以计算结构的稳定性和强度。
四、射影面积法的计算步骤射影面积法的计算步骤如下:1. 确定两个平面的方程;2. 计算两个平面的交线;3. 确定投影方向和投影面积;4. 计算射影面积;5. 根据射影面积计算二面角大小。
五、射影面积法的优缺点射影面积法作为一种求解二面角的方法,具有以下优点:1. 原理简单易懂,计算步骤清晰明确;2. 适用范围广泛,可以应用于多个学科领域;3. 结果准确可靠,能够满足实际需求。
然而,射影面积法也存在一些缺点:1. 计算过程稍复杂,需要一定的数学基础和计算能力;2. 对于一些特殊情况,射影面积法可能无法提供准确的结果;3. 在实际应用中,射影面积法往往需要结合其他方法和技术进行综合分析。
五法求二面角从全国19份高考试卷中我们知道,立体几何题中命有求二面角大小的试题共有12份,并都为分值是12分的大题,足以说明这一知识点在高考中的位置,据有关专家分析,它仍然是2010年高考的重点,因此,我们每位考生必须注意,学会其解题方法,掌握其解题技巧,是十分重要的。
一、 定义法:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角, 这条直线叫做二面角的棱, 这两个半平面叫做二面角的面,在棱上取点,分别在两面内引两条射线与棱垂直,这两条垂线所成的角的大小就是二面角的平面角。
本定义为解题提供了添辅助线的一种规律。
如例1中从二面角S —AM —B 中半平面ABM 上的一已知点(B )向棱AM 作垂线,得垂足(F );在另一半平面ASM 内过该垂足(F )作棱AM 的垂线(如GF ),这两条垂线(BF 、GF )便形成该二面角的一个平面角,再在该平面角内建立一个可解三角形,然后借助直角三角函数、正弦定理与余弦定理解题。
例1(2009全国卷Ⅰ理)如图,四棱锥S ABCD -中,底面ABCD 为矩形,SD ⊥底面ABCD,AD =2DC SD ==,点M 在侧棱SC 上,ABM ∠=60°(I )证明:M 在侧棱SC 的中点 (II )求二面角S AM B --的大小。
证(I )略解(II ):利用二面角的定义。
在等边三角形ABM 中过点B作BF AM ⊥交AM 于点F ,则点F 为AM 的中点,过F 点在平面ASM 内作GF AM ⊥,GF 交AS 于G ,连结AC ,∵△ADC ≌△ADS ,∴AS-AC ,且M 是SC 的中点, ∴AM ⊥SC , GF ⊥AM ,∴GF ∥AS ,又∵F 为AM 的中点,∴GF 是△AMS 的中位线,点G 是AS 的中点。
则GFB ∠即为所求二面角. ∵2=SM ,则22=GF ,又∵6==AC SA ,∴2=AM ∵2==AB AM ,060=∠ABM ∴△ABM 是等边三角形,∴3=BF在△GAB 中,26=AG ,2=AB ,090=∠GAB ,∴211423=+=BG FG366232222113212cos 222-=-=⨯⨯-+=⋅-+=∠FB GF BG FB GF BFG ∴二面角S AM B --的大小为)36arccos(-练习1(2008山东)如图,已知四棱锥P -ABCD ,底面ABCD 为菱形,P A ⊥平面ABCD ,60ABC ∠=︒,E ,F 分别是BC , PC 的中点. (Ⅰ)证明:AE ⊥PD ;(Ⅱ)若H 为PD 上的动点,EH 与平面P AD 所成最大角E —AF —C 的余弦值. 分析:第1题容易发现,可通过证AE ⊥AD 后推出AE ⊥平面APD ,使命题获证,而第2题,则首先必须在找到最大角正切值有关的线段计算出各线段的长度之后,考虑到运用在二面角的棱AF 上找到可计算二面角的平面角的顶点S ,和两边SE 与SC ,进而计算二面角的余弦值。
二面角的计算公式二面角,这可是高中立体几何中的一个重要概念呀!咱先来说说啥是二面角。
想象一下,你有一张纸,把它对折一下,那折起来的这个“角度”,就是二面角啦。
在数学里,二面角是指从一条直线出发的两个半平面所组成的图形。
那二面角咋计算呢?常见的方法有定义法、三垂线定理法、垂面法、射影面积法等等。
先说定义法。
这就好比你要量一个桌子的长度,直接拿尺子去量。
定义法就是直接在二面角的棱上找一点,在两个半平面内分别作棱的垂线,这两条垂线所成的角就是二面角的平面角。
比如有这么一道题:在正方体 ABCD - A1B1C1D1 中,求平面 A1BD 与平面 C1BD 所成二面角的大小。
那咱就可以在棱 BD 上找个点,比如中点 O,然后分别在平面 A1BD 和平面 C1BD 内作 BD 的垂线,再通过计算就能得出二面角的大小啦。
再说说三垂线定理法。
这就有点像你找东西,有个线索给你指引。
三垂线定理说的是:在平面内的一条直线,如果和穿过这个平面的一条斜线在这个平面内的射影垂直,那么它也和这条斜线垂直。
比如说,已知二面角α - l - β的一个半平面α内一点 A 到另一个半平面β的垂线为 AB,垂足为 B,过垂足 B 作棱 l 的垂线 BC,垂足为 C,连接 AC,那∠ACB 就是二面角的平面角。
还有垂面法。
就好像你盖房子,先打个牢固的地基。
作一个垂直于二面角棱的平面,那这个平面与二面角的两个半平面的交线所成的角就是二面角的平面角。
最后说说射影面积法。
这就好比是灯光照下来的影子。
二面角的余弦值等于某一个半平面在另一个半平面的射影面积与原面积的比值。
我记得我当年上学的时候,有一次老师在课堂上讲二面角的计算,我听得那叫一个迷糊。
课后我就自己找了好多练习题来做,做着做着突然就开窍了。
那种感觉,就像是在黑暗中摸索了好久,突然看到了一丝光亮。
总之啊,二面角的计算虽然有点复杂,但只要掌握了方法,多做练习,就一定能拿下它!加油吧,同学们!。
求解二面角的六种常规方法作者:李淑芸来源:《中学教学参考·理科版》2010年第03期求解二面角问题是高考的热点问题,在近几年的高考中几乎每一年、每一套高考题的立体几何问题都涉及到求二面角的大小问题.然而通过对学生考卷的分析,我们发现这一问题的得分率却并不理想.因此,本文总结了常见的六种求解二面角的方法,希望能给部分读者以帮助.1.定义法是指过二面角的棱上任一点在两个面内分别作垂直于棱的直线,则两直线所构成的角即为二面角的平面角,继而在平面中求出其平面角的一种方法.【例1】如图1,空间四边形ABCD中,AB=BC=CD=DA=a,对角线AC=a,BD=2a,求二面角A—BD—C的大小.图1解:取BD的中点为O,分别连接AO、CO,∵AB=AD,BC=CD.∴AO⊥BD,CO⊥BD.∴∠AOC为二面角A—BD—C的平面角.∵AB=AD=a,BD=2a,∴AO=22a.∵BC=CD=a,BD=2a,∴OC=22a.在△AOC中,OC=22a,OA=22a,AC=a,OA2+OC2=AC2,∴∠AOC=90°,即二面角A—BD—C为直二面角.2三垂线法是指利用三垂线定理,根据“与射影垂直,则也与斜线垂直”的思想构造出二面角的平面角,继而求出平面角的方法.【例2】如图2,二面角α-AB-β的棱AB上有一点C,线段CDα,CD=100,∠BCD=30°,点D 到平面β的距离为253,求二面角α-AB-β的度数.图2解:过D作DE⊥β于E,DF⊥AB于F,连接EF.∵DF⊥AB,EF是DF在β内的射影,∴AB⊥EF(三垂线定理).∴∠DFE为二面角为α-AB-β的平面角.在Rt△DEF中,DF=12CD=50,DE=253,∴sin∠DFE=DEDF=25350=32.∴∠DFE=60°.即二面角α-AB-β的度数为60°.3.垂面法是指用垂直于棱的平面去截二面角,则截面与二面角的两个面必有两条交线,这两条交线构成的角即为二面角的平面角,继而再求出其平面角的一种方法.【例3】如图3,已知SA⊥平面ABC,AB⊥BC,SA=AB,SB=BC,E是SC的中点,DE⊥SC交AC于D,求二面角E-BD-C的大小.图3解:∵BS=BC,SE=EC,∴SC⊥BE,又∵SC⊥DE,∴SC⊥面BDE.∴SC⊥BD.又∵BD⊥SA,∴BD⊥面SAC.∴∠EDC为二面角E-BD-C的平面角.设SA=a,则SB=BC=2a.∵BC⊥AB,SA⊥平面ABC.∴BC⊥SB.∴SC=2a,∠SCD=30°.∴∠EDC=60°,即二面角E-BD-C的大小为60°.4.面积射影法所谓面积射影法,就是根据三角形及其在某一个平面上的射影面积之间的关系,利用cosθ=S射S来计算二面角的一种方法(其中θ为二面角).【例4】在正方体ABCD-A1B1C1D1中,K∈BB1,M∈CC1,且BK=14BB1,CM=34CC1,求平面AKM与ABCD所成角的大小.图4解:连结AC,则由题意可知,△ABC是△AKM在平面AC上的射影.设平面AKM与ABCD所成角为θ,则cosθ=S射S=S△ABCS△AKM.令正方体的棱长为4,∴S△ABC=12AB•A C=12×4×4=8.在△AKM中,AK=12+42=17,AM=42+42+32=41,KM=42+22=20.由海伦公式可知S△AKM=221,∴cosθ=421,θ=arccos421.5.法向量法法向量法是通过求与二面角垂直的两个向量所成的角,继而利用这个角与二面角的平面角相等或互补的关系,求出二面角的一种方法.【例5】如图5,过正方形ABCD的顶点A作PA⊥平面ABCD,设PA=AB=ɑ,求平面PAB 和平面PCD所成的二面角的大小.图5解:以A为射点建立直角坐标系(如图5所示),则P(0,0,a),D(0,a,0),C(a,a,0).设平面PCD的法向量为n=(x,y,z),则n•PD=0,n•CD=0.即(x,y,z)•(0,a,-a)=0,(x,y,z)•(-a,0,0)=0.∴y=-z,x=0.即n=(0,1,-1).又AD成为平面PAB的法向量,而cos〈AD,n〉=(0,a,0)•(0,1,-1)a•2=22,∴AD与n所成的角为45°.因此平面PAB和平面PCD所成的角为45°.6.垂线法是指先利用待定系数法确定垂足,再利用公式求出二面角的大小.【例6】如图6,在四棱锥P—ABCD中,底面ABCD为矩形,PD⊥底面ABCD,E是AB上一点,PE⊥EC,已知PD=2,CD=2,AE=12,求(1)异面直线PD与EC的距离;(2)二面角E-PC-D的大小.图6解:(1)略.(2)以D为原点,DA、DC、DP分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系.作DG⊥PC,可设G(0,y,z).由DG•PC=0得(0,y,z)•(0,2,-2)=0,即z=2y.故可取DG=(0,1,2).作EF⊥PC于F,设F(0,m,n),则EF=(-32,m-12,n).由EF•PC=0,得(-32,m-12,n)•(0,2,-2)=0,即2m-1-2n=0.又由F在PC上得n=-22m+2,故m=1,n=22,EF=(-32,12,22).因EF⊥PC,DG⊥PC,故二面角E-PC-D的平面角θ的大小为向量EF与DG的夹角.故cosθ=DG•EF|DG|•|EF|=22,∴θ=π4.故二面角E-PC-D的大小为π4.(责任编辑金铃)。
射影面积法求二面角原理引言:射影面积法是一种常用于计算几何体二面角的方法,它基于射影面积的概念,通过计算几何体在某一平面上的投影面积来确定二面角的大小。
本文将介绍射影面积法求二面角的原理和应用。
一、射影面积法的基本原理射影面积法是基于几何体在不同平面上的投影面积与几何体二面角之间的关系来进行计算的。
具体而言,我们可以通过在几何体上选择一个合适的平面,将几何体投影到该平面上,然后计算投影面积,最后利用投影面积与二面角之间的关系,求解二面角的大小。
二、射影面积法的步骤1. 选择适当的平面:根据几何体的特点和问题的要求,选择一个合适的平面进行投影。
通常情况下,选择与几何体的某一面垂直的平面可以简化计算过程。
2. 进行投影:将几何体投影到所选择的平面上,得到投影面积。
投影的方法可以根据几何体的形状和问题的要求灵活选择,常用的投影方法包括平行投影和中心投影等。
3. 计算投影面积:根据投影所得到的平面图形的形状和大小,使用几何学方法计算投影面积。
根据平面图形的形状,可以使用不同的计算公式,如矩形的投影面积为底边长度乘以高度,三角形的投影面积为底边长度乘以高度的一半等。
4. 计算二面角:根据投影面积与二面角之间的关系,利用所得到的投影面积计算二面角的大小。
具体的计算方法可以根据几何体的特点和问题的要求选择,常用的计算方法包括使用正弦定理、余弦定理等。
三、射影面积法的应用举例1. 求解四面体的二面角:对于一个四面体,可以选择一个面作为投影面,将四面体投影到该面上。
然后计算投影面积,并利用所得到的投影面积求解四面体的二面角。
2. 求解棱柱的二面角:对于一个棱柱,可以选择柱面作为投影面,将棱柱投影到柱面上。
然后计算投影面积,并利用所得到的投影面积求解棱柱的二面角。
3. 求解球体的二面角:对于一个球体,可以选择一个切面作为投影面,将球体投影到该切面上。
然后计算投影面积,并利用所得到的投影面积求解球体的二面角。
四、射影面积法的优缺点射影面积法作为一种计算几何体二面角的常用方法,具有一定的优点和缺点。
立体几何专题:二面角的四种求法一、二面角1、二面角的概念:从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角,这条直线叫做二面角的棱,这两个半平面叫做二面角的面.2、二面角的平面角的概念:平面角是指以二面角的棱上一点为端点,在两个半平面内分别做垂直于棱的两条射线,这两条射线所成的角就叫做该二面角的平面角。
3、二面角的大小范围:[0°,180°] 二、求二面角大小的步骤是: (1)作:找出这个平面角;(2)证:证明这个角是二面角的平面角;(3)求:将作出的角放在三角形中,解这个三角形,计算出平面角的大小. 三、确定二面角的平面角的方法:1、定义法(棱上一点双垂线法):提供了添辅助线的一种规律(1)方法:在二面角的棱上找一个特殊点,在两个半平面内分别过该点作垂直于棱的射线.(2)具体演示:如图所示,以二面角的棱a 上的任意一点O 为端点, 在两个面内分别作垂直于a 的两条射线OA ,OB ,则∠AOB 为此二面角的平面角2、三垂线法(面上一点双垂线法)----最常用(1)方法:自二面角的一个面上一点向另外一个面作垂线,再由垂足向棱作垂线得到棱上的点(即斜足),斜足和面上一点的连线与斜足和垂足的连线所夹的角,即为二面角的平面角(2)具体演示:在平面α内选一点A 向另一个平面β作垂线AB ,垂足为B ,再αβaOAB过点B 向棱a 作垂线BO ,垂足为O ,连接AO ,则∠AOB 就是二面角的平面角。
3、垂面法(空间一点垂面法)(1)方法:过空间一点作与棱垂直的平面,截二面角得两条射线,这两条射线所成的角就是二面角的平面角。
(2)具体演示:过二面角内一点A 作AB ⊥α于B ,作AC ⊥β于C , 面ABC 交棱a 于点O ,则∠BOC 就是二面角的平面角。
4、射影面积法求二面角coss S射影(1)方法:已知平面β内一个多边形的面积为S ,它在平面α内的射影图形的面积为S射影,平面α和平面β所成的二面角的大小为θ,则COSθ=S射影S.这个方法对于无棱二面角的求解很简便。
立体几何二面角大小的求法二面角的类型和求法可用框图展现如下:一、定义法:直接在二面角的棱上取一点(特殊点),分别在两个半平面内作棱的垂线,得出平面角,用定义法时,要认真观察图形的特性; 例、 如图,已知二面角α-а-β等于120°,PA ⊥α,A ∈α,PB ⊥β,B ∈β. 求∠APB 的大小.例、在四棱锥P-ABCD 中,ABCD 是正方形,PA⊥平面ABCD ,PA=AB=a ,求二面角B-PC-D 的大小。
jA BCDPHPOBA二、三垂线定理法:已知二面角其中一个面内一点到一个面的垂线,用三垂线定理或逆定理作出二面角的平面角;例、在四棱锥P-ABCD 中,ABCD 是平行四边形,PA⊥平面ABCD ,PA=AB=a ,∠ABC=30°,求二面角P-BC-A 的大小。
例、(2003北京春)如图,ABCD-A 1B 1C 1D 1是长方体,侧棱AA 1长为1,底面为正方体且边长为2,E 是棱BC 的中点,求面C 1DE 与面CDE 所成二面角的正切值.ABCDA 1B 1C 1D 1EO例、ΔABC 中,∠A=90°,AB=4,AC=3,平面ABC 外一点P 在平面ABC 内的射影是AB 中点M ,二面角P —AC—B 的大小为45°。
求(1)二面角P —BC —A 的大小;(2)二面角C —PB —A 的大小例、(2006年陕西试题)如图4,平面α⊥平面β,α∩β=l ,A ∈α,B ∈β,点A 在直线l 上的射影为A 1,点B 在l 的射影为B 1,已知AB=2,AA 1=1,BB 1=2,求:二面角A 1-AB -B 1的大小.B 1AαA 1 LE F三、垂面法:已知二面角内一点到两个面的垂线时,过两垂线作平面与两个半平面的交线所成的角即为平面角,由此可知,二面角的平面角所在的平面与棱垂直;例、空间的点P 到二面角βα--l 的面α、β及棱l 的距离分别为4、3、3392,求二面角βα--l 的大小.四、射影法:(面积法)利用面积射影公式S 射=S 原cos θ,其中θ为平面角的大小,此方法不必在图形中画出平面角;例、在四棱锥P-ABCD 中,ABCD 为正方形,PA⊥平面ABCD ,PA =AB =a ,求平面PBA 与平面PβαlCBA例、如图,设M为正方体ABCD-A1B1C1D1的棱CC1的中点,求平面BMD1与底面ABCD所成的二面角的大小。
射影面积法求二面角原理概述:射影面积法是计算二面角的常用方法之一,它基于物体在不同角度下的射影面积的变化来求解二面角。
二面角是指由两个平面所夹的角,它在几何学和计算几何学中有着广泛的应用。
本文将详细介绍射影面积法求解二面角的原理及其应用。
一、射影面积法原理射影面积法通过计算物体在不同角度下的射影面积来求解二面角。
具体步骤如下:1.选择观察点:确定观察点的位置,通常选择观察点位于物体所在平面外部,且与物体的一条边垂直相交。
2.确定观察面:从观察点出发,选择一个平面作为观察面,该平面与物体的一条边垂直相交,并且与观察点所在平面垂直。
3.计算射影面积:在观察面上,以物体的一条边为边界,通过观察点将物体投影到观察面上,计算投影的面积。
4.改变观察角度:保持观察点不变,改变观察面与物体的夹角,重复步骤3,计算不同角度下的射影面积。
5.计算二面角:根据不同角度下的射影面积,利用数学方法求解二面角的大小。
二、射影面积法的应用射影面积法可以应用于多个领域,包括几何学、物理学、计算机图形学等。
以下是该方法的一些具体应用:1.计算物体的空间角:射影面积法可以用于计算物体在空间中所占的角度,例如计算两个平面所夹的角度、计算一个立体角等。
2.三维建模:在计算机图形学中,射影面积法可以用于三维建模和渲染,通过计算物体在不同角度下的射影面积,可以生成真实感的三维模型。
3.物体识别:射影面积法可以应用于物体识别和目标跟踪,通过计算物体在不同角度下的射影面积,可以对物体进行形状和姿态的判断。
4.光线追踪:在光线追踪算法中,射影面积法可以用于计算光线与物体的相交情况,从而实现真实感的光影效果。
总结:射影面积法是一种常用的求解二面角的方法,通过计算物体在不同角度下的射影面积,可以准确地求解二面角的大小。
该方法在几何学、物理学和计算机图形学等领域有着广泛的应用,可以用于计算物体的空间角、三维建模、物体识别和光线追踪等方面。
射影面积法的原理简单易懂,但在具体应用中需要注意选择合适的观察点和观察面,以及正确计算射影面积。
射影面积法(cos
S S 射影原
)
凡二面角的图形中含有可求原图形面积和该图形在另一个半平面上的射影图形面积的都可利用射影面积公式(cos 斜
射S S =
θ)求出二面角的大小。
例1、 如图,在底面是一直角梯形的四棱锥S-ABCD 中, AD ∥BC,∠ABC=90°,SA ⊥平面ABC ,SA=AB=BC=1,
AD=2
1 .求面SCD 与面SAB 所成的角的大小。
解法1:可用射影面积法来求, 这里只要求出S △SCD 与S △SAB 即可, 故所求的二面角θ应满足cos θ=
=
1
112
12322
⨯⨯⨯⨯=
6。
例2.(2008北京理)如图,在三棱锥P ABC -中,
2AC BC ==,90ACB ∠=,
AP BP AB ==,PC AC ⊥. (Ⅰ)求证:PC AB ⊥;
(Ⅱ)求二面角B AP C --的大小;
A C
B
P
图1
S
D
C
B
A
解:(Ⅰ)证略
(Ⅱ)AC BC =,AP BP =,APC BPC ∴△≌△. 又PC AC ⊥,PC BC ∴⊥. 又90ACB ∠=,即AC BC ⊥,且AC
PC C =,
BC ∴⊥平面PAC .
取AP 中点E .连结BE CE ,. AB BP =,BE AP ∴⊥.
EC 是BE 在平面PAC 内的射影, CE AP ∴⊥.
∴△ACE 是△ABE 在平面ACP 内的射影, 于是可求得:
2222=+===CB AC AP BP AB ,622=-=AE AB BE ,
2==EC AE 则1222
121=•=•=
=∆CE AE S S ACE 射, 3622
1
21=•=•=
=∆EB AE S S ABE 原 设二面角B AP C --的大小为ϑ,则3
3
3
1cos =
=
=
原
射S S ϑ ∴二面角B AP C --的大小为3
3arccos =ϑ
练习1: 如图5,E 为正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的 棱CC 1的中点,求平面AB 1E 和底面A 1B 1C 1D 1所成 锐角的余弦值.
(答案:所求二面角的余弦值为cos θ=
3
2).
A
B
E P A 1
D 1
B 1
1
E
D
B
C
A
图5
2. 如图一,在四棱锥P ABCD -中,底面ABCD 是矩形,PA ⊥平面ABCD ,
2AP AB ==,22BC =,E F ,分别是AD PC ,的中点.
(1)证明:PC ⊥平面BEF ;(2)求平面BEF 与平面BAP 夹角的大小. 题(1)解略;题(2)中平面BEF 与平面BAP 夹角即为平面BEF 与平面BAP 所成的锐二面角.
方法一:垂面法
在图中找到或作出一个与二面角的两个半平面均垂直的平面,此平面截得的图形便是二面角的平面角.
如图一:PA ⊥平面ABCD ,BC ⊂平面ABCD ,PA BC ∴⊥.
又
,BC AB AB
PA A ⊥=,BC ∴⊥平面BAP .
又BC ⊂平面PBC ,∴平面PBC ⊥平面BAP . 由题(1),PC ⊥平面BEF ,PC ⊂平面BEF ,∴平面PBC ⊥平面BEF . 所以PBF ∠是所求二面角的平面角.
222221122,22
PB PA AB PF PC AB BC PA =+==
=++, 2sin ,.24
PF PBF PBF PB π
∴∠=
=∠= 即平面BEF 与平面BAP 夹角为
4
π
. 方法二:平移平面法
如果两平行平面同时与第三个平面相交,那么这两个平行平面与第三个平面所成的二面角相等或互补.利用此结论可以平移某一平面到合适的位置以便作出二面角的平面角.
如图二:取BC 的中点G ,连接,FG EG .
,E F 分别是,AD PC 的中点,,EG
AB FG PB ∴.
又
,FG EG G AB PB B ==,
∴平面EFG 平面BAP .
∴二面角B EF G --的大小就是平面BEF 与平面BAP 夹角的大小.
可以证明BFG ∠为二面角B EF G --的平面角,并求出其大小为4
π. 方法三:射影法
利用公式'cos S S
θ=,其中S 表示二面角的一个半平面内某个多边形的面积,'
S 表示
此多边形在另一个半平面射影的面积,θ表示原图形与射影图形所成的二面角.
如图三:取PB 的中点H ,连接,FH AH ,
F 为PC 中点, ,FH BC AE BC ∴.
由解法一知,BC ⊥平面BAP ,
FH ∴⊥平面BAP ,AE ⊥平面BAP ,
∴点F 、E 在平面BAP 内的射影分别为H 、A . BEF ∴∆在平面BAP 上的射影为BAH ∆. 可以证明BEF ∆和BAH ∆均为直角三角形.
1
,,2
HF
BC AE
BC HF BC BC ==
, ∴四边形HFEA 为平行四边形,EF AE ∴=. 记平面BEF 与平面BAP 夹角为θ,则2
cos BAH BEF S S θ∆∆==
, 所以4
πθ=
,即平面BEF 与平面BAP 夹角为
4
π.
3.已知ABC ∆是正三角形,⊥PA 平面ABC 且PA=AB=a,求二面角A-PC-B 的大小。
[思维]二面角的大小是由二面角的平面角 来度量的,本题可利用三垂线定理(逆)来作
E
P
C
B
A
F
平面角,还可以用射影面积公式或异面直线上两点 间距离公式求二面角的平面角。
解1:(三垂线定理法)
取AC 的中点E ,连接BE ,过E 做EF ⊥PC,连接BF ⊥PA 平面ABC ,PA ⊂平面PAC
∴平面
PAC ⊥平面ABC, 平面PAC 平面ABC=AC
∴BE ⊥平面
PAC
由三垂线定理知BF ⊥PC
∴BFE ∠为二面角
A-PC-B 的平面角
设PA=1,E 为AC 的中点,BE=
23,EF=4
2
∴tan BFE ∠=
6=EF
BE
∴BFE ∠=argtan 6
解2:(三垂线定理法)
取BC 的中点E ,连接AE ,PE 过A 做AF ⊥PE, FM ⊥PC,连接
FM
AB=AC,PB=PC ∴
AE ⊥BC,PE ⊥BC
∴ BC ⊥平面PAE,BC ⊂平面PBC
∴
平面PAE ⊥平面PBC, 平面PAE 平面PBC=PE
由三垂线定理知AM ⊥PC
∴FMA ∠为二面角
A-PC-B 的平面角
P
C A
E
F M
图1
图2
设PA=1,AM=
22,AF=7
21
.=PE AE AP
∴sin FMA ∠=
7
42=AM AF ∴FMA ∠=argsin
7
42
解3:(投影法)
过B 作BE ⊥AC 于E,连结PE ⊥PA 平面ABC ,PA ⊂平面PAC
∴平面
PAC ⊥平面ABC, 平面PAC 平面ABC=AC
∴BE ⊥平面
PAC
∴PEC ∆是PBC ∆在平面
PAC 上的射影
设PA=1,则PB=PC=2,AB=1
4
1
=
∆PEC S ,47=
∆PBC S
由射影面积公式得,7
7
cos
arg ,77=∴==
∆∆θθPBC PEC S S COS , 4.在单位正方体1111A B C D ABCD -中, 求二面角1A A C B --的度数。
P
C
B
A
E
图3
一、三垂线法
利用三垂线定理或逆定理构造出二面 角的平面角,进而求解。
解法一. 作1,AO AC ⊥取1A B 的中点M , 连结.OM AM .
1AM A B ⊥
AM BC ⊥ 1A B
BC B =
由三垂线逆定理知
1
OM AC ⊥
AOM ∴∠为所求二面角1A A C B --的平面角 在1Rt A AC 中 111
3AA AC AO AC AC =
⋅=
AM sinAOM AO ∴=
= 60AOM ∴∠= 二.射影法
利用斜面面积和射影面积的关系:S S cos θ=⋅射影斜面 (θ为斜面与射影所成二面角的平面角)直接求解。
解法二、取AC 的中点G ,连结BG
1
1BG AC
BG AA AC
AA A
⊥⊥=
∴ 1A BC 在平面1A AC 上的射影为1A GC
12
Rt
A BC
S =
12244
AGC
Rt
A AG
S
S ==
-= 由 11A GC
Rt
A BC S
S cos θ=⋅ 1
2
cos θ∴=
从而二面角1A A C B --的大小为60。