二面角的平面角的定位

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  空间图形的位置关系是立体几何的重要内容,解决立体几何问题的关键在于三定:定性分析→定位作图→定量计算,其中定性是定位、定量的基础,而定量是定位、定性的深化,在面面关系中,二面角是其中的重要概念之一,它的度量归结为平面上角的度量,一般来说,对其平面角的定位是问题解决的先决一步,可是,从以往的教学中发现,学生往往把握不住其定位的基本思路而导致思维混乱,甚至错误地定其位,使问题的解决徒劳无益,本文就是针对这一点,来谈一谈平日教学中体会。
  
  一、 重温二面角的平面角的定义
  
  如图(1),α、β是由l出发的两个平面,O是l上任意一点,O∈α,且OC⊥l;CD∈β,且OD⊥l。这就是二面角的平面角的环境背景,即∠COD是二面角α—l—β的平面角,从中不难得到下列特征:
  


  ⑴过棱上任意一点,其平面角是唯一的。
  ⑵其平面角所在平面与其两个半平面均垂直。
  另外,如果在OC上任取上一点A,作AB⊥OD垂足为B,那么由特征⑵可知AB⊥β.突出L、OC、OD、AB,这便是另一特征。
  ⑶体现出一完整的垂线定理(或逆定理)的环境背景。
  对以上特征进行剖析:
  由于二面角的平面角是由一点和两条射线构成的,所以二面角的平面角的定位可化归为“定点”或“定线(面)”的问题。
  特征⑴表明,其平面角的定位可先在棱上取一“点”,耐人寻味的是这一点可以随便取,但又总是不随便取定的,它必须与问题背景相互沟通,给计算提供方便。
  例1:已知正三棱锥V—ABC侧棱长为a,高为b,求侧面与底面所成的角的大小。
  由于正三棱锥的顶点V在底面ABC上的射影H是底面的中心,所以连结CH交AB于O,且OC⊥AB,则∠VOC为侧面与底面所成二面角的平面角如图(2)。正因为正三棱锥的特性,解决此问题,可以取AB的中点O为其平面角的顶点,而且使背景突出在面VOC上,给进一步定量创造得天独厚的条件。
  特征⑵指出:如果二面角α—l—β的棱l垂直某一平面γ与α、β的交线,而交线所成的角就是α—l—β的平面角,如图。
  


  由此可见,二面角的平面角的定位可以考虑找“垂平面”。
  例2: 矩形ABCD,AB=3,BC=4,沿对角线BD把△ABD折起,使点A在平面BCD上的射影A′落在BC上,求二面角A—BC-—C的大小。
  这是一道由平面图形折叠成立体图形的问题,解决问题的关键在于搞清折叠前后“变”与“不变”。结果在平面图形中过A作AE⊥BD交BD于O、交BC于E,则折叠后OA、OE与BD的垂直关系不变。但OA与OE此时变成相交两线段并确定一平面,此平面必与棱垂直。由特征(2)可知,面AOE与面ABD、面CBD的交线OA与OE所成的角,即为所求二面角的平面角。另外,A在面BCD上的射影必在OE所在的直线上,又题设射影落在BC上,所以E点就是A′,这样的定位给下面的定量提供了优质服务。事实上,AO=AB·AD/BD=3×4/5=12/5,OA′=OE=BO·tg∠CBD,而BO=AB2/BD=9/5, tg∠CBD,故OA′=27/20。在Rt△AA′O中,∠AA′O=90°,所以cos∠AOA′=A′O/AO=9/16,即所求的二面角为arccos9/16。
  通过对例2的定性分析、定位作图和定量计算,特征(2)从另一角度告诉我们:要确定二面角的平面角,我们可以把构成二面角的两个半平面“摆平”,然后,在棱上选取一适当的垂线段,即可确定其平面角。“平面图形”与“立体图形”相映生辉,不仅便于定性、定位,更利于定量。
  


  特征(3)显示,如果二面角α—l—β的两个半平面之一,存在垂线段AB,那么过垂足B作l的垂线交l于O,连结AO,由三垂线定理可知OA⊥l;或者由A作l的垂线交l于O,连结OB,由三垂线定理逆定理可知OB⊥l,此时,∠AOB就是二面角α—l—β的平面角,如图。
  由此可见,二面角的平面角的定位可以找“垂线段”。
  由此可见,要作二面角的平面角,最好考虑作“垂线段”。
  综上所述,二面角的平面角正确而合理的定位,要在明确其三要素——棱上、面内、垂直的基础上,掌握其三个基本特征,并灵活运用它们,考察问题的环境背景,建立良好的主观心理空间和客观心理空间,以不变应万变。
  
  (作者单位;423000湖南省郴州市万华岩菁华园学校)
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