线线角、线面角,二面角(高考立体几何法宝)
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1
A 1
B 1
C 1
D A
B
C
D E F
G
线线角、线面角、二面角的求法
1.空间向量的直角坐标运算律:
⑴两个非零向量与垂直的充要条件是
1122330a b a b a b a b ⊥⇔++=
⑵两个非零向量a 与b 平行的充要条件是 a ·b =±|a ||b |
2.向量的数量积公式
若a 与b 的夹角为θ(0≤θ≤π),且123(,,)a a a a =,123(,,)b b b b =,则 (1)点乘公式: ·=|||| cos θ
(2)模长公式:则2
12||a a a a a =⋅=++2
||b b b b =⋅=+
(3)夹角公式:2
cos ||||a b
a b a b a ⋅⋅==⋅+ (4)两点间的距离公式:若111(,,)A x y z ,222(,,)B x y z ,则
2
||(AB AB ==,A B
d =
①两条异面直线a 、b 间夹角0,2πα⎛⎫
∈ ⎪⎝⎭
在直线a 上取两点A 、B ,在直线b 上取两点C 、D ,若直线a 与b 的夹角为θ,则cos |cos ,|AB CD θ=<>=
例1 (福建卷)如图,长方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中,AA 1=AB =2,AD =1,点E 、F 、G 分别是DD 1、
AB 、CC 1的中点,则异面直线A 1E 与GF 所成的角是( )
A .5
15arccos
B .
4
π C .510
arccos
D .2
π (向量法,传统法)
P
B
C
A
例 2 (2005年全国高考天津卷)如图,PA ⊥平面ABC ,90ACB ∠=︒且
PA AC BC a ===,则异面直线PB 与AC 所成角的正切值等于_____.
解:(1)向量法
(2)割补法:将此多面体补成正方体'''DBCA D B C P -,PB 与AC 所成的角的大小即此正方体主对角线PB 与棱BD 所成角的大小,在Rt △PDB 中
,即
tan PD
DBA DB
∠=
=. 点评:本题是将三棱柱补成正方体'''DBCA D B C P -
②直线a 与平面α所成的角0,2πθ⎛⎤
∈ ⎥⎝⎦
(重点讲述平行与垂直的证明)
可转化成用向量→
a 与平面α的法向量→
n 的夹角ω表示,由向量平移得:若
ππ(图);若ππ
平面α的法向量→
n 是向量的一个重要内容,是求直线与平面所成角、求点到平面距离的必备工具.求平面法向量的一般步骤:
(1)找出(求出)平面内的两个不共线的向量的坐标111222(,,),(,,)a a b c b a b c == (2)设出平面的一个法向量为(,,)n x y z =
(3)根据法向量的定义建立关于x,y,z 的方程组(0a <
(4)解方程组,取其中的一组解,即得法向量。
图1-
图1-
图1-
1
D 1
B 1
C P
D
B
C
A
1. (线线角,线面角).在棱长为a 的正方体''''ABCD A B C D -中,,E F 分别是''
,BC A D 的中点.
(1)求直线'
AC DE 与所成角;
(2)求直线AD 与平面'
B EDF 所成的角.
2.如图,底面ABCD 为直角梯形, 90=∠ABC ,⊥PB 面ABCD ,
22====CD BP BC BA ,E 为PD 的中点,求
1) 异面直线BD 与PA 所成角的余弦值; 2) 直线CP 与面ADP 所成角的正弦值;
③求二面角βα-- 的大小θ
1.范围:[0,]π
2.二面角的向量求法:
方法一:如图,若AB 、CD 分别是二面角α-l -β的两个面内与棱l 垂直的异面直线,则二面角的大小就是向量AB 与CD 的夹角.
方法二:设,u v 是二面角α-l-β的两个面α,β的法向量,则向量u 与v 的夹角(或其补角就是二面角的平面角的大小.如图,设二面角的平面角的大小为θ,法向量的夹角为ϕ.
cos cos ||||u v u v θϕ==
cos cos()cos ||||
u v
u v θπϕϕ=-=-=-
注意:在用向量求二面角的大小时,我们是先求出两半平面的法向量所在直线的夹角
ϕ,但二面角可能是钝角或锐角,因此在求出
ϕ角后,应判断二面角的大小,再确定二面
角就是两半平面的法向量所在直线的夹角ϕ或是其补角。 例:如图,PA ABC ⊥平面,,1,AC BC PA AC BC ⊥===求二面角A PB C -
-的
大小。
u
v
l
z
1.[2014·新课标全国卷Ⅱ] 如图,四棱锥P -ABCD 中,底面ABCD 为矩形,PA ⊥平面ABCD ,E 为PD 的中点. (1)证明:PB ∥平面AEC ;
(2)设AP =1,AD =3,三棱锥P - ABD 的体积V =
3
4
,求A 到平面PBC 的距离.
2、(2011年高考陕西卷理科16)(本小题满分12分)
如图:在,ABC ∠0
中,ABC=60,∠0
BAC=90AD BC 是上的高,沿AD 把ABD 折起,使
∠0BDC=90.证明:
(Ⅰ)平面⊥ADB BDC 平面;
(Ⅱ)设E BC DB 为的中点,求AE 与夹角的余弦值。