高考数学立体几何大题中,有两类问题是最重要的。一是平行和垂直的证明;二是求角。求角问题又分为三类:1)求两异面直线所成的角。2)求线面角。3)求二面角。
方法:一是采用立体几何常规方法,按照线线角、线面角、二面角的定义把线线角、线面角、二面角的平面角找到,然后放到一个三角形中去计算;二是建立坐标系采用空间向量法去求角。
1、求两异面直线所成的角:角的范围是0度到90度,不包括0度,包括90度。方法是一条直线不动,另外一条直线平行移动到跟前一条直线相交,它们所成的锐角或直角为两异面直线所成的角,然后放入它的所在的三角形中去解三角形求出角的大小。当然也可以在几何体中另取一点,将两条直线都平行移动到相交,再去求角的大小。
遇到正方体对角线时,通常采用补形法在正方体旁补一个一模一样大小的正方体,然后再去平行移动直线。
易错点:若题设条件告诉你两异面直线所成的角,反回到图形中应有两种情况,这个角或它的补角。
2、求线面角:角的范围是0度到90度,不包括0度,包括90度。
方法有定义法、等体积法、补形法等。
等体积法模型:当过一个点作一个平面的垂线时,若垂足不好确定,则通过等体积法直接确定垂线段即高线的长度,然后将高线长放在一直角三角形中求角。
(一)
用向量法求二面角时,是先求的法向量的夹角,再推出二面角的大小。
而一个平面的法向量由定义得知可能有两个方向(如图1中α平面的法向量n1与法向量n1')
对于求法向量夹角可能出现:
(1)如图2所示为n1与n2的夹角(=n1'与n2'的夹角),易证即为二面角补角。
(2)如图3所示为n1与n2'的夹角(=n1'与n2的夹角),易证即为二面角。
故有时是二面角,有时是其补角。
(二)
先令法向量夹角为θ,则可由公式求出cosθ。
再通过观察、推理或已知等,得到二面角的大小为锐角还是钝角。
(1)如果二面角为锐角,则其余弦值应为正。
若cosθ为正,则θ为二面角。
若cosθ为负,则θ为二面角补角。
以图中为例,二面角由观察可知为锐角。如果你算出法向量n1与n2,则cosθ为负,二面角大小为π-θ。
如果你算出法向量n1与n2',则cosθ为正,二面角大小为θ。
(2)如果二面角为钝角,则其余弦值应为负。同理有:
若cosθ为正,则θ为二面角补角。
若cosθ为负,则θ为二面角。
(三)
要用法向量计算二面角,先要计算法向量,
可以控制法向量的方向如图3一样(即一个指向二面角内,另一个指向二面角外),就可以直接以θ为二面角。
也可以使法向量方向随意,只要像(二)中判断一下θ为二面角还是其补角。
求法向量可以使用待定系数法(参考百度百科之法向量),
也可使用平面内两不共线向量叉乘得到(高中不掌握,最好使用前者)。