3.二面角的平面角的主要作法:①定义 ②三垂线定义 ③ 垂面法 ★★★高考将考什么 [范例1]在的二面角中. .已知点A和B到棱的距离分别为2和4.且AB=10.求 (1)直线AB与棱a所成的角,(2)直线AB与平面β所成的角. 解:(1)如图所示.在平面α内.过A作AC⊥α.垂足为C,在平面β内.过B作BD⊥β.垂足为D,又在平面β内.过B作BECD. 连结CE.则∠ABE为AB与α所成的角.CEBD. 从而CE⊥α.∠ACE=1200.∠AEB=900. 在ΔACE中.由余弦定理得 在RtΔAEB中..故直线AB与棱a所成的角为 (2)过点A作.则垂足在的另一半平面上. 在RtΔAA′C中.. 在RtΔAB中.. 故直线AB与平面β所成的角为 [点晴]本题源于课本.高于课本.不难不繁.体现了通过平移求线线.通过射影求线面角的基本方法. [文]如右下图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,已知AB= 4, AD =3, AA1= 2. E.F分别是线段AB.BC上的点.且EB= FB=1. (1) 求二面角C-DE-C1的正切值; (2) 求直线EC1与FD1所成的余弦值. 解:(I)以A为原点.分别为 x轴.y轴.z轴的正向建立空间直角坐标系.则有 D.D1.F.C1, 故 设向量与平面C1DE垂直.则有 (II)设EC1与FD1所成角为β.则 . [点晴]空间向量在解决含有三维直角的立体几何题中更能体现出它的优点.但必须注意其程序化的过程及计算的公式.本题使用纯几何方法也不难.同学不妨一试. [范例2]如图.在四棱锥P-ABC右.底面ABCD 为矩形.侧棱PA⊥底面ABCD.AB=.BC=1.PA=2. E为PD的中点 (Ⅰ)求直线AC与PB所成角的余弦值, (Ⅱ)在侧面PAB内找一点N.使NE⊥面PAC. 并求出N点到AB和AP的距离 解法一:(Ⅰ)建立如图所示的空间直角坐标系.则A.B.C.D.P.E的坐标分别为A.B(.0.0).C(.1.0).D.E(0..2). 从而=(.1.0).=(.0.-2). 设与的夹角为.则. ∴AC与PB所成角的余弦值为 (Ⅱ) N点在侧面PAB内.故可设N点坐标为(x, 0, z),则 由NE⊥面PAC可得 即 化简得 即N点的坐标为(.0.1).从而N点到AB.AP的距离分别为1. 解法二:(Ⅰ)设AC∩BD=O.连OE.则OE//PB.∴∠EOA即为AC与PB所成的角或其补角, 在ΔAOE中.AO=1.OE=PB=.AE=PD=. ∴, 即AC与PB所成角的余弦值为 (Ⅱ)在面ABCD内过D作AC的垂线交AB于F.则. 连PF.则在RtΔADF中DF=. 设N为PF的中点.连NE.则NE//DF. ∵DF⊥AC.DF⊥PA.∴DF⊥面PAC从而NE⊥面PAC ∴N点到AB的距离=AP=1.N点到AP的距离=AF= [点晴]由线线.线面.面面的位置寻找满足某些条件的点的位置.它能考查学生分析问题.解决问题的能力.两种方法各有优缺点.在向量方法中注意动点的设法.在方法二中注意用分析法寻找思路. [文]在梯形ABCD中.AB=BC=1.AD=2..沿对角线AC将折起.使点B在平面ACD内的射影O恰在AC上. (1)求证:AB平面BCD (2)求异面直线BC与AD所成的角. 解:(1)在梯形ABCD中,,AD=2. . 又平面ACD.故 又.且 平面BCD (2)因为BA=BC.. 为AC中点.取CD中点E.AB中点F.连结OE.OF.EF.则OE//AD. OF//BC.所以AD与BC所成的角为或其补角. 作FH//BO交AC于H.连结HE, 则FH平面ACD 在三角形EOF中.又.EO=1 由余弦定理知 故异面直线BC与AD所成的角为 [点晴]折叠问题必须注意折叠前后之间的关系和区别.本题使用空间向量的方法也不失一种好方法. [范例3]如图.在斜三棱柱中. .侧面与底面ABC所成的二面角为.E.F分别是棱 的中点 (Ⅰ)求与底面ABC所成的角 (Ⅱ)证明∥平面 (Ⅲ)求经过四点的球的体积 解:(Ⅰ)过作平面.垂足为 连结.并延长交于. 于是为与底面所成的角 ∵.∴为的平分线 又∵.∴.且为的中点. 由三垂线定理. ∵.且.∴. 于是为二面角的平面角.即. 由于四边形为平行四边形.得. (Ⅱ)证明:设与的交点为.则点为的中点.连结. 在平行四边形中.因为的中点.故. 而平面.平面.所以平面. (Ⅲ)连结.在和中.由于.. .则≌.故.由已知得 又∵平面.∴为的外心 设所求球的球心为.则.且球心与中点的连线 在中.. 故所求球的半径.球的体积. [点晴]两小题注意使用二面角属于简单立几问题.(Ⅲ)要注意球的几何性质以及平面几何知识的合理利用. [文]在四棱锥P-ABCD中.ABCD为正方形.PA⊥面ABCD.PA=AB=a.E为BC中点. (1)求平面PDE与平面PAB所成二面角的大小, (2)求平面PBA与平面PDC所成二面角的大小 解:(1)延长AB.DE交于点F.则PF为平面PDE与平面PAD所成二面角的棱. ∵PA⊥平面ABCD. ∴AD⊥PA.AB, PA∩AB=A ∴DA⊥平面BPA于A, 过A作AO⊥PF于O.连结OD, 则∠AOD即为平面PDE与平面PAD所成二面角的平面角. 得.故面PDE与面PAD所成二面角的大小为 如图∵AD⊥PA.AB, PA∩AB=A ∴DA⊥平面BPA于A, 同时BC⊥平面BPA于B, ∴△PBA是△PCD在平面PBA上的射影, 设平面PBA与平面PDC所成二面角大小为θ, cosθ=S△PAB/S△PCD=/2 θ=450 即平面BAP与平面PDC所成的二面角的大小为45°. 解法2如图将四棱锥P-ABCD补形 得正方体ABCD-PQMN.则PQ⊥PA.PD.于是∠APD是两 面所成二面角的平面角. 在Rt△PAD中.PA=AD. 则∠APD=45°.即平面BAP与平面PDC所成二面角的大小为45°. [点晴]求线面角.面面角关键在于准确作出角.同样遵循一作二证三计算的步骤.但应用面积射影法求二面角可避免找角.同学们注意经常使用. [范例4]如图.已知平行六面体的底 面ABCD是菱形.且. (I)证明:C1C⊥BD, (II)假定CD=2.C1C=.记面C1BD为α.面CBD为β. 求二面角α BD β的平面角的余弦值, (III)当的值为多少时.能使A1C⊥平面C1BD?请给出证明. (I)证明:连结.AC.AC和BD交于O.连结. ∵ 四边形ABCD是菱形.∴ AC⊥BD.BC=CD. 又∵. ∴ . ∴ . ∵ DO=OB. ∴ BD.但 AC⊥BD. AC∩=O. ∴ BD⊥平面. 又 平面. ∴ BD. 知AC⊥BD.BD. ∴ 是二面角的平面角. 在中.BC=2... ∴ . ∵ ∠OCB=.∴ OB=BC=1.∴ . ∴ 即.作⊥OC.垂足为H ∴ 点H是OC的中点.且OH .所以 . (III)当时.能使⊥平面. 证法一:∵ .∴ BC=CD=.又. 由此可推得BD=.∴三棱锥C- 是正三棱锥 设与相交于G.∵∥AC.且∶OC=2∶1.∴∶GO=2∶1. 又是正三角形的BD边上的高和中线. ∴点G是正三角形的中心.∴CG⊥平面.即⊥平面 证法二:由(I)知.BD⊥平面.∵平面.∴BD⊥. 当时 .平行六面体的六个面是全等的菱形. 同BD⊥的证法可得⊥.又 BD∩=B.∴⊥平面. [点晴]本题综合考查了立体几何的各种基础知识.(III)作为开放题有一定难度.常使用猜测再分析证明的解决方法. [文]如图.在四棱锥P-ABCD中.底面ABCD是边长 为a的正方形.并且PD=a.PA=PC=. (1)求证:PD⊥平面ABCD, (2)求异面直线PB与AC所成的角, (3)求二面角A-PB-D的大小. (4)在这个四棱锥中放一个球.求球的最大半径. 解:(1)PC=.PD=PC=a.∴DPDC是RtD.且PD⊥DC. 同理PD⊥AD.又AD∩DC=D. ∴PD⊥平面ABCD. (2)连BD.因ABCD是正方形.∴BD⊥AC.又PD⊥平面ABCD. BD是PB在面ABCD上的射影.由三垂线定理得PB⊥AC.∴PB与AC成90°角. (3)设AC∩BD=O.作AE⊥PB于E.连OE. ∵AC⊥BD.又PD⊥平面ABCD.ACÌ平面ABCD.∴PD⊥AC. 又PD∩BD=D. ∴AC⊥平面PDB.则OE是AE在平面PDB上的射影. 由三垂线定理逆定理知OE⊥PB. ∴ÐAEO是二面角A-PB-D的平面角. 又AB=a.PA=.PB=. ∵PD⊥平面ABCD.DA⊥AB. ∴PA⊥AB.在RtDPAB中.AE•PB=PA•AB.∴AE=.又AO= ∴.ÐAEO=60°.二面角A-PB-D的大小为60°. (4)设此球半径为R.最大的球应与四棱锥各个面相切.球心为S.连SA.SB.SC.SD.SP.则把此四棱锥分为五个小四棱锥.它们的高均为R.由体积关系得: . [点晴]解决(4)的关键是确定球与四棱锥具有怎样的位置关系时.半径最大.此时怎样建立关于球的半径的等量关系式.立体几何中的最值问题.常有两种解决方法: (1)建立所求量的函数关系式.再求最值, (2)根据立体几何的有关知识.确定在什么位置时.所求量取最值. ★★★自我提升 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

已知直三棱柱中, , , 的交点, 若.

(1)求的长;  (2)求点到平面的距离;

(3)求二面角的平面角的正弦值的大小.

【解析】本试题主要考查了距离和角的求解运用。第一问中,利用ACCA为正方形, AC=3

第二问中,利用面BBCC内作CDBC, 则CD就是点C平面ABC的距离CD=,第三问中,利用三垂线定理作二面角的平面角,然后利用直角三角形求解得到其正弦值为

解法一: (1)连AC交AC于E, 易证ACCA为正方形, AC=3 ……………  5分

(2)在面BBCC内作CDBC, 则CD就是点C平面ABC的距离CD= … 8分

(3) 易得AC面ACB, 过E作EHAB于H, 连HC, 则HCAB

CHE为二面角C-AB-C的平面角. ………  9分

sinCHE=二面角C-AB-C的平面角的正弦大小为 ……… 12分

解法二: (1)分别以直线CB、CC、CA为x、y为轴建立空间直角坐标系, 设|CA|=h, 则C(0, 0, 0), B(4, 0, 0), B(4, -3, 0), C(0, -3, 0), A(0, 0, h), A(0, -3, h), G(2, -, -) ………………………  3分

=(2, -, -), =(0, -3, -h)  ……… 4分

·=0,  h=3

(2)设平面ABC得法向量=(a, b, c),则可求得=(3, 4, 0) (令a=3)

点A到平面ABC的距离为H=||=……… 8分

(3) 设平面ABC的法向量为=(x, y, z),则可求得=(0, 1, 1) (令z=1)

二面角C-AB-C的大小满足cos== ………  11分

二面角C-AB-C的平面角的正弦大小为

 

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如图,四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为菱形,PA底面ABCD,AC=,PA=2,E是PC上的一点,PE=2EC。

(I)     证明PC平面BED;

(II)   设二面角A-PB-C为90°,求PD与平面PBC所成角的大小

【解析】本试题主要是考查了四棱锥中关于线面垂直的证明以及线面角的求解的运用。

从题中的线面垂直以及边长和特殊的菱形入手得到相应的垂直关系和长度,并加以证明和求解。

解法一:因为底面ABCD为菱形,所以BDAC,又

【点评】试题从命题的角度来看,整体上题目与我们平时练习的试题和相似,底面也是特殊的菱形,一个侧面垂直于底面的四棱锥问题,那么创新的地方就是点E的位置的选择是一般的三等分点,这样的解决对于学生来说就是比较有点难度的,因此最好使用空间直角坐标系解决该问题为好。

 

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如图,四棱锥S—ABCD中,SD⊥底面ABCD,AB∥DC,AD⊥DC,AB=AD=1,DC=SD=2,E为棱SB上的三等分点,SE=2EB

(Ⅰ)证明:平面EDC⊥平面SBC.(Ⅱ)求二面角A—DE—C的大小                .

 

【解析】本试题主要考查了立体几何中的运用。

(1)证明:因为SD⊥底面ABCD,AB∥DC,AD⊥DC,AB=AD=1,DC=SD=2,E为棱SB上的三等分点,SE=2EB   所以ED⊥BS,DE⊥EC,所以ED⊥平面SBC.,因此可知得到平面EDC⊥平面SBC.

(Ⅱ)由SA2= SD2+AD2 = 5 ,AB=1,SE=2EB,AB⊥SA,知

AE2= (1 /3 SA)2+(2/ 3 AB)2 =1,又AD=1.

故△ADE为等腰三角形.

取ED中点F,连接AF,则AF⊥DE,AF2= AD2-DF2 =

连接FG,则FG∥EC,FG⊥DE.

所以,∠AFG是二面角A-DE-C的平面角.

连接AG,AG= 2 ,FG2= DG2-DF2 =

cos∠AFG=(AF2+FG2-AG2 )/2⋅AF⋅FG =-1 /2 ,

所以,二面角A-DE-C的大小为120°

 

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已知三棱锥P—ABC中,PC⊥底面ABC,,,二面角P-AB-C为,D、F分别为AC、PC的中点,DE⊥AP于E.

(Ⅰ)求证:AP⊥平面BDE;                

(Ⅱ)求直线EB与平面PAC所成的角。

【解析】本试题主要考查了线面的垂直问题以及线面角的求解的综合运用。

 

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零件直径相等的概率。本小题主要考查用列举法计算随机事件所含的基本事件数及事件发生的概率等基础知识,考查数据处理能力及运用概率知识解决简单的实际问题的能力。满分12分

【解析】(Ⅰ)解:由所给数据可知,一等品零件共有6个.设“从10个零件中,随机抽取一个为一等品”为事件A,则P(A)==.

      (Ⅱ)(i)解:一等品零件的编号为.从这6个一等品零件中随机抽取2个,所有可能的结果有:,,,

,,,共有15种.

      (ii)解:“从一等品零件中,随机抽取的2个零件直径相等”(记为事件B)的所有可能结果有:,共有6种.

      所以P(B)=.

(本小题满分12分)

如图,在五面体ABCDEF中,四边形ADEF是正方形,FA⊥平面ABCD,BC∥AD,CD=1,AD=,∠BAD=∠CDA=45°.

(Ⅰ)求异面直线CE与AF所成角的余弦值;      

(Ⅱ)证明CD⊥平面ABF;

(Ⅲ)求二面角B-EF-A的正切值。

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同步练习册答案