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数学学案:课堂导学直线与平面的夹角.docx

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课堂导学

三点剖析

一、最小角定理的应用

【例1】已知四棱锥P—ABCD(如右图),底面是边长为2的正方形.侧棱PA⊥底面ABCD,PA=a,M、N分别为AD、BC的中点,MQ⊥PD于Q.

(1)直线PC与平面PBA所成角的正弦值为。求PA的长;

(2)PA=2,求PM与平面PCD所成角的正弦值.

解:(1)=(2,2,—a),平面PBA的一个法向量为n==(0,1,0)。

∵直线PC与平面PBA所成角的正弦值为,

∴|cos,n〉|=,

∴a=2,即PA=2.

(2)=(0,1,—2),=(0,—2,2),(2,0,0)。

设平面PCD的法向量为n=(x,y,1),则

解得∴n=(0,1,1).

∴cos〈,n〉=.

∴PM与平面PCD所成角的正弦值为.

温馨提示

最小角定理的应用注意形式,θ1,θ2所处的位置。

二、利用三垂线定理求线面角

【例2】如右图,在四棱锥P—ABCD中,底面ABCD是正方形,侧棱PD⊥底面ABCD,PD=DC,E是PC的中点。

(1)证明:PA∥平面EDB;

(2)求EB与底面ABCD所成的角的正切值.

(1)证明:连结AC,AC交BD于O.连结EO。

∵底面ABCD是正方形,

∴点O是AC的中点。

在△PAC中,EO是中位线,

∴PA∥EO.

而EO平面EDB且PA平面EDB。

所以,PA∥平面EDB.

(2)解:作EF⊥DC交DC于F.连结BF.

设正方形ABCD的边长为a,

∵PD⊥底面ABCD,

∴PD⊥DC。

∴EF∥PD,F为DC的中点.

∴EF⊥底面ABCD,BF为BE在底面ABCD内的射影,故∠EBF为直线EB与底面ABCD所成的角。

在Rt△BCF中,

BF=。

∵EF=PD=,∴在Rt△EFB中,

tan∠EBF=,则BE与面ABCD所成角的正切值为。

温馨提示

解题过程一般要包含作图、证明、计算三步。另外借助于法向量求线面角将更加简捷。

三、利用向量求线面角

【例3】如右图所示的正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AA1∶AB=2∶1,E、F分别为面A1C1和面BC1的中心。求

(1)异面直线CE与AF所成的角;

(2)A1F与平面BCC1B1所成的角;

解:如右图,以D为原点,DA为Ox轴正方向,DC为Oy轴正方向,DD1为Oz轴正方向建立空间直角坐标系.

∵A1A∶AB=2∶1,可设AB=2,由此得到相应各点的坐标分别为A(2,0,0),B(2,2,0),C(0,2,0),E(1,1,4),F(1,2,2),A1(2,0,4),B1(2,2,4),∴=(1,—1,4),=(-1,2,2),=(-1,2,-2),=(-1,0,-2),=(0,0,-4),=(1,1,-4).

(1)设异面直线CE和AF所成的角为α,则

cosα=

∴α=arccos,此即异面直线CE和AF所成的角。

(2)∵A1B1⊥平面BCC1B1,

∴A1F与平面BCC1B1,所成的角为∠A1FB1(设为β)。

则cosβ=

=

=。

∴β=arccos。

此即为A1F与平面BCC1B1所成的角。

温馨提示

充分利用图形的几何特征建立适当的空间直角坐标系,用相关知识求解线面角。

各个击破

类题演练1

PA、PB、PC从P引出三条射线每两条的夹角都是,则直线PC与面PAB所成角的余弦值为多少?

解析:设点C在面PAB上的射影为H,则∠HPA=30°=θ2,∠APC=θ=60°,θ1=∠CPH即为所求的线面角,有

cosθ1·cosθ2=cosθ,得cosθ1=。

变式提升1

面α垂直面β,交线为CD,A∈CD,APα,∠DAP=30°,QAβ,∠DAQ=30°,求∠PAQ的大小.

解析:过P作PM⊥CD,则PM⊥β,即∠PAM为直线AP与β所成的角,设∠PAM=θ1,∠MAQ=θ2,∠PAQ=θ,有cosθ=cosθ1cosθ2,即cosθ=cos30°·cos30°=,得θ=∠PAQ=arccos。

类题演练2

在直三棱柱ABC—A1B1C1中,底面是等腰直角三角形,∠ACB=90°,侧棱AA1=AC=2,D、E分别是CC1与A1

求AB与平面ABD所成角的大小。

解:连结BG,则BG是BE在面ABD的射影,即∠EBG是A1B与平面ABD所成的角,设F为AB中点,连结EF、FC,因为D、E分别是CC1、A1B的中点,又DC⊥平面ABC,所以CDEF为矩形。连结DF,G是△ADB的重心,EF=1,FD=3,ED=2,EG=,则FC=ED=,BE=,则sin∠EBG==,所求的角为arcsin.

变式提升2

如右图,l1、l2是互相

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