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3. 二面角

空间几何体与空间向量 · 高三
讲清楚它是什么

定义 从一条直线出发的两个半平面所组成的图形,其大小由平面角决定。

从哪来 本知识点为高三立体几何起点,直接基于初中平面几何中“角”的定义及“直线与平面垂直”的判定定理构建。

为什么 二面角是空间图形,无法直接像平面角那样测量。为了量化它,我们需要将其“降维”到平面。 原理在于:在二面角的棱上取一点,在两个半平面内分别作垂直于棱的射线,这两条射线所成的角(平面角)的大小与棱上取点的位置无关。 这是因为:若改变取点位置,新的两条垂线分别平行于原来的两条垂线(同垂直于棱),根据空间向量或平行线性质,新角与原角相等。因此,用唯一的平面角来定义二面角的大小是合理且完备的。

实物演示法
打开书本或折纸。 1. 将书本平放,书脊为棱,两页纸为半平面。 2. 慢慢打开书本,让学生观察两页纸夹角的变化。 3. 强调:无论书脊多长,我们只关心“张开”的程度。 4. 在书脊上任意一点,用笔垂直书脊在纸面上画线,测量这两条线的夹角。
适合:空间想象力较弱、依赖直观感知的学生。
向量代数法
坐标化思维。 1. 建立空间直角坐标系。 2. 二面角的大小等于两个半平面法向量夹角的余弦值的绝对值(或补角)。 3. 公式:$\cos \theta = \frac{|\vec{n_1} \cdot \vec{n_2}|}{|\vec{n_1}| |\vec{n_2}|}$。 4. 强调:法向量方向可能指向二面角内部或外部,需结合图形判断是锐角还是钝角。
适合:计算能力强、偏好公式化解题、空间作图困难的学生。
定义构造法
几何作图逻辑。 1. 核心口诀:“棱上一点,两垂一线”。 2. 步骤:找棱 -> 棱上取点 -> 面内作垂线 -> 连线成角。 3. 重点辨析:作出的角必须是“平面角”,即两边必须分别在两个面内且都垂直于棱。 4. 证明唯一性:通过平行线传递角的大小,说明取点位置不影响结果。
适合:逻辑严密、喜欢推导原理、基础几何功底扎实的学生。
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练一道
基础题
如图,在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,求二面角 $A-BD-C$ 的平面角大小。
变式
在正四面体 $P-ABC$ 中,$D$ 为 $AB$ 中点,求二面角 $P-AB-C$ 的大小。
试试手自己判
检测题
在直三棱柱 $ABC-A_1B_1C_1$ 中,$\angle ACB = 90^\circ$,$AC = BC = CC_1 = 1$。求二面角 $A_1-BC-A$ 的大小。
看答案和判分标准
答案:$45^\circ$。
判对标准:
1. 正确识别棱为 $BC$。
2. 正确指出 $AC \perp BC$(面 $ABC$ 内)和 $A_1C \perp BC$(需证明:因为 $BC \perp AC$ 且 $BC \perp CC_1$,所以 $BC \perp$ 面 $ACC_1A_1$,故 $BC \perp A_1C$)。
3. 正确得出平面角为 $\angle A_1CA$。
4. 在 Rt$\triangle A_1AC$ 中,正确计算 $\tan \angle A_1CA = \frac{A_1A}{AC} = 1$,得出 $45^\circ$。
若学生使用向量法,需建立坐标系,正确求出法向量并计算夹角,且结果正确。
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