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空间图形中的异面直线所成角、线面成角、二面角的计算在立体几何中占有极其重要的地位,这些问题的解决总是需要较高的技巧性。事实上,在具体的学习中我们发现,若仅仅依据定义寻找这些空间角是很困难的,往往要做很多的辅助线,而且有时也难以达到求出角大小的目的。高中新教材引入向量的内容并作为独立的章节来介绍,将向量应用于立体几何中,使得解决空间角的难点得到了有效化解。同时,运用向量解决这些问题的过程,又是数形结合思想的又一体现。以下举例给予说明。
一、 求异面直线所成角
二、 求线面所成的角
例2 (2003年江苏省高考题)如图3,直三棱柱ABC-A1B1C1中,底面是等腰直角三角形,∠ACB=90°,侧棱AA1=2,D,E分别是CC1与A1B的中点,点E在平面ABD上的射影是△ABD的重心G,求A1B与平面ABD所成角的大小(结果用反三角函数表示)。
三、 求二面角
命题三:如图4,平面α与平面β所成的二面角为θ,平面α的法向量为n1,平面β的法向量为n2,向量n1与n2所成的角为α,则cosθ=cos(π-α)=-cosα。
例3 (2005年合肥市二模试题)如图5,已知AB⊥平面ACD,DE⊥平面ACD,△ACD是正三角形,且AD=DE=2AB,F是CD的中点。(1)求证:平面CBE⊥平面CDE。(2)求平面FEB与平面BCE所成二面角的度数α。
解 (1)(略)。
此题若要通过作二面角来解决,显然还要继续作复杂的辅助线,而借助构成二面角的两平面法向量的夹角,即可求得二面角。平面向量是数形结合的桥梁,可以将形的内容转化为数的运算,把空间结构代数化,把空间的研究从定性推向定量的深度,有利于学生克服空间想象力的障碍和作图的困难,既直观又容易接受。
一、 求异面直线所成角
二、 求线面所成的角
例2 (2003年江苏省高考题)如图3,直三棱柱ABC-A1B1C1中,底面是等腰直角三角形,∠ACB=90°,侧棱AA1=2,D,E分别是CC1与A1B的中点,点E在平面ABD上的射影是△ABD的重心G,求A1B与平面ABD所成角的大小(结果用反三角函数表示)。
三、 求二面角
命题三:如图4,平面α与平面β所成的二面角为θ,平面α的法向量为n1,平面β的法向量为n2,向量n1与n2所成的角为α,则cosθ=cos(π-α)=-cosα。
例3 (2005年合肥市二模试题)如图5,已知AB⊥平面ACD,DE⊥平面ACD,△ACD是正三角形,且AD=DE=2AB,F是CD的中点。(1)求证:平面CBE⊥平面CDE。(2)求平面FEB与平面BCE所成二面角的度数α。
解 (1)(略)。
此题若要通过作二面角来解决,显然还要继续作复杂的辅助线,而借助构成二面角的两平面法向量的夹角,即可求得二面角。平面向量是数形结合的桥梁,可以将形的内容转化为数的运算,把空间结构代数化,把空间的研究从定性推向定量的深度,有利于学生克服空间想象力的障碍和作图的困难,既直观又容易接受。