關(guān)于二面角的非正式會談

張 俊

因?yàn)閰⒓訉W(xué)?；顒?，代舒、紀(jì)和兩位同學(xué)錯(cuò)過了下午的數(shù)學(xué)習(xí)題課“用幾何法求二面角的平面角”，數(shù)學(xué)老師利用晚自修時(shí)間幫他倆補(bǔ)習(xí)．

師：二面角是空間角，它的大小可以用它的平面角來度量，因此求二面角的大小也就是求二面角的平面角的大小.一般地，我們約定二面角的大小范圍是

思考

什么是二面角的平面角？

以二面角的棱上任意一點(diǎn)為端點(diǎn)，在兩個(gè)半平面內(nèi)分別作垂直于棱的射線，這兩條射線所成的角就叫做二面角的平面角．

例1 （蘇教版《必修2》習(xí)題）如圖1，在正方體中，求二面角的正切值．

求二面角的關(guān)鍵 是找到二面角的平面角.根據(jù)定義，需要在棱上找一點(diǎn)，并且過這個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)半平面內(nèi)有兩條交線的垂線.比如圖1 中，∠BCD 就是二面角的一個(gè)平面角.

圖1

代舒：在BD 上任取一點(diǎn)，然后過這一點(diǎn)分別在平面CBD 和平面中作垂線.

技能點(diǎn)

同學(xué)們不僅要考慮能作出平面角，也要考慮計(jì)算的方便．

紀(jì)和：理論上不錯(cuò)，不過為了方便計(jì)算，最好找一個(gè)特殊點(diǎn)，比如BD 的中點(diǎn)O，根據(jù)等腰三角形三線合一的性質(zhì)可知是一個(gè)平面角.

連 結(jié) AC 交 BD 于 點(diǎn) O， 連 結(jié) OC1. 因 為

方法論

這種用定義作平面角的方法叫做“定義法”．

代舒：由于C1C ⊥平面CBD，也可以這樣作平面角：過C 作CO ⊥ BD于點(diǎn)O，連結(jié)那么就是一個(gè)平面角.

闖關(guān)1如圖1，前提條件不變，求二面角的大?。?/p>

方法論

這種做二面角的方法就是“三垂線法”．三垂線法是一種間接作法，關(guān)鍵是作“面的垂線”，一旦面的垂線作出，再作棱的垂線，然后連兩垂足就行了．

圖2

闖關(guān)2將正方體改為長方體，不妨將長變?yōu)樵瓉淼膬杀?，其他不變，如圖2，求二面角的大?。?/p>

說明：這兩個(gè)二面角不一定是特殊角，只要求出它們的某個(gè)三角函數(shù)值即可．為了計(jì)算方便，我們統(tǒng)一認(rèn)為正方體的棱長是1，長方體的長、寬、高分別為2，1，1．

代舒：闖關(guān)1，我還沒看出來；闖關(guān)2，用三垂線法作平面角，過C 作CO ⊥ BD于點(diǎn)O，連結(jié)那么就是一個(gè)平面角.利用等面積法可得計(jì)算比較麻煩，我準(zhǔn)備先用余弦定理求出，然后求出再用等面積法求C1O ，即，還沒有具體算.

師：如果注意到圖2 中是等腰三角形，是一條腰上的高，計(jì)算會簡單一點(diǎn).圖2 中，過平面中的點(diǎn)C1的直線C1C 恰好垂直于另一個(gè)平面BCD，這為用三垂線法創(chuàng)造了條件.再回頭看看闖關(guān)1，有什么想法了嗎？

代舒：圖1 中DC ⊥平面所以只要作連結(jié)DM，那么∠DMC 就是平面角了，因此

紀(jì)和：還可以用定義法，利用等腰三角形三線合一來處理.如圖1，和分別是等腰直角三角形和等邊三角形，所以作于M，連結(jié)DM，則∠DMC 就是平面角.

師：對于由共底邊的等腰三角形組成的二面角用定義法作平面角很方便.如果不是等腰的，而是關(guān)于交線的軸對稱圖形，也可以類似地作.為了看得更清楚，我們將圖1中的四棱錐從正方體中隔離出來，如圖3，求二面角的大小.

圖3

闖關(guān)3如圖4，在四棱錐C1? ABC中，已知CC1⊥平面，怎樣求二面角呢？

圖4

代舒：在圖4 中作BN ⊥ AC1于N，在平面ACC1中過N作NE AC⊥1交AC 于點(diǎn)E，則∠BNE 即平面角.由前面知而利用相似三角形知識可以求出NE EB, ，再用一下余弦定理就好了.

方法論

在立體幾何中，將一個(gè)不規(guī)則幾何體補(bǔ)成一個(gè)規(guī)則的幾何體是解決問題的常用方法，叫做“補(bǔ)體法”．

紀(jì)和：也可以利用三垂線法.注意到平面ACC1⊥ABC，作BE AC⊥ 于E，由線面垂直的性質(zhì)定理，則BE ⊥平面ACC1，再作BN AC⊥1于N，連結(jié)NE，則∠BNE 即平面角.用這個(gè)方法很容易發(fā)現(xiàn)E 是AC 的中點(diǎn)，且△BEN 是直角三角形，因此則∠ =BNE 60°.

技能點(diǎn)

用余弦定理求角是通法，而發(fā)現(xiàn)△BEN 是直角三角形則更有利于計(jì)算．

技能點(diǎn)

闖關(guān)4前面幾道闖關(guān)題中，二面角的棱都是可見的，如果不可見怎么處理呢？比如圖3 中，怎樣求二面角的大小呢？

紀(jì)和：先找出交線.找交線一般是利用公理2 再找一個(gè)異于C1的交點(diǎn).因?yàn)锳D 與平面平行，根據(jù)線面平行的性質(zhì)定理，交線應(yīng)該是過C1且與AD 平行的直線.由于AD與BC 平行，所以交線也與BC 平行.因此只要在平面內(nèi)過點(diǎn)C1作一條與BC 平行的直線即可.求二面角大小的三個(gè)步驟：

一作，找或作出二面角的平面角；二證，證明其符合定義；三求，指出某角是所求二面角的平面角并計(jì)算，一般解直角三角形或利用余弦定理求解．

三個(gè)步驟中，作出平面角最關(guān)鍵，常用的方法是定義法和三垂線法，統(tǒng)稱為“幾何法”，幾何法的計(jì)算量較小.還有一種空間向量法，不需要作出平面角，也能計(jì)算二面角大小.同學(xué)們要靈活運(yùn)用哦！