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4.2 直线与平面所成角

空间向量及其在立体几何中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 斜线与它在平面内的射影所成的锐角,即为直线与平面所成的角。

从哪来 本节为空间向量与立体几何的起点,基于初中平面几何中“点到直线距离”及“垂线段最短”的公理基础。

为什么 直线与平面相交时,直线在平面内的“投影”方向代表了直线在平面上的“走向”。直线与平面的夹角,本质上是直线方向向量与平面法向量夹角的余角。之所以取锐角,是因为角度描述的是两条几何对象之间的“偏离程度”,偏离程度是非负的,且最大不超过90度(垂直)。若取钝角,则无法唯一确定直线相对于平面的倾斜状态(例如135度与45度在几何对称性上等价)。

直观演示法
用一支笔(直线)和桌面(平面)演示。将笔尖触桌,笔身倾斜。告诉学生,笔在桌面上的影子(射影)与笔本身形成的夹角,就是线面角。强调“影子”必须垂直于桌面。
适合:形象思维强、抽象逻辑稍弱的学生。
向量代数法
引入空间向量。设直线方向向量为 $\vec{u}$,平面法向量为 $\vec{n}$。线面角 $\theta$ 满足 $\sin\theta = |\cos\langle \vec{u}, \vec{n} \rangle|$。推导过程:$\vec{u}$ 与 $\vec{n}$ 的夹角为 $\alpha$,则 $\theta = 90^\circ - \alpha$(或 $\alpha - 90^\circ$),故 $\sin\theta = |\cos\alpha|$。
适合:计算能力强、偏好公式化解题的学生。
几何构造法
在直线上任取一点 $P$,作 $PO \perp$ 平面 $\alpha$ 于 $O$,连接 $AO$($A$ 为交点)。则 $\angle PAO$ 即为线面角。重点讲解“找射影”的技巧:利用面面垂直性质,在过直线的平面内作交线的垂线,该垂线即为射影。
适合:几何直觉好、擅长辅助线构造的学生。
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练一道
基础题
已知正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 的棱长为 1,求直线 $A_1B$ 与平面 $ABCD$ 所成的角。
变式
已知三棱锥 $P-ABC$,$PA \perp$ 平面 $ABC$,$\angle ABC = 90^\circ$,$PA = AB = BC = 1$。求直线 $PC$ 与平面 $ABC$ 所成角的正弦值。
试试手自己判
检测题
如图,在四棱锥 $P-ABCD$ 中,底面 $ABCD$ 是正方形,$PA \perp$ 底面 $ABCD$,$PA = AB = 2$。求直线 $PB$ 与平面 $ABCD$ 所成角的大小。
看答案和判分标准
答案:$45^\circ$
判对标准:
1. 正确指出 $A$ 是 $P$ 在平面 $ABCD$ 上的射影(1分)。
2. 正确指出 $\angle PBA$ 为所求线面角(1分)。
3. 在 Rt$\triangle PAB$ 中正确计算 $\tan \angle PBA = \frac{PA}{AB} = 1$(1分)。
4. 得出 $\angle PBA = 45^\circ$(1分)。
若学生使用向量法,需检查是否正确使用 $\sin\theta = \frac{|\vec{PB} \cdot \vec{n}|}{|\vec{PB}||\vec{n}|}$ 或等价形式,且最终结果为 $45^\circ$。
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