摘 要:解决立体几何问题的关键在于三定:定性分析→定位作图→定量计算,其中定性是定位、定量的基础,而后则是定位、定性的深化,在面面关系中,二面角是其中的重要概念之一,它的度量归结为平面上角的度量,一般来说,对其平面角的定位是问题解决的先决一步,可是,从以往的教学中发现,学生往往把握不住其定位的基本思路而导致思维混乱,甚至错误地定其位,使问题的解决徒劳无益,本文就是针对这一点,对二面角的求解做了综述性的总结:
关键词:定量计算;定位作图;二面角;平面角;
1 引 言
重温二面角的平面角的定义:
如图(1),α、β是由l出发的两个半平面,O是l上任意一点,OCα,且OC⊥l;CDβ,
且OD⊥l。这就是二面角的平面角的环境背景,即∠COD是二面角α—l—β的平面角,从中不难得到下列特征:
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(1) (2)
Ⅰ、过棱上任意一点,其平面角是唯一的;
Ⅱ、其平面角所在平面与其两个半平面均垂直;
另外,如果在OC上任取上一点A,作AB⊥OD垂足为B,那么
由特征Ⅱ可知AB⊥β.突出l、OC、OD、AB,这便是另一特征;
Ⅲ、体现出一完整的三垂线定理(或逆定理)的环境背景。
对以上特征进行剖析
2 正 文
一、由于二面角的平面角是由一点和两条射线构成,所以二面角的平面角的定位可化归为“定点”或“定线(面)”的问题。 而求二面角大小问题转变求二面角的平面角的大小,有上述特征总结几种求解二面角的平面角的方法。
1.定义法:利用二面角的平面角的定义,在二面角棱上去一点,过该点在两个半平面内作垂直于棱的射线,两射线所成角就是二面角的平面角;其平面角的定位可先在棱上取一“点”,耐人寻味的是这一点可以随便取,但又总是不随便取定的,它必须与问题背景相互沟通,给计算提供方便。
2.三垂线法:利用三垂线定理及其逆定理通过证明线线垂直,找到二面角的平面角。关键在于找免得垂线。
3.垂面法:作一与棱垂直的平面,该垂面与二面角的两个半平面相交,得到交线,交线所成的角为二面角的平面角。
我们用一个题来说明以上二种求法:
例:如图(2),四棱锥P-ABCD的底面是边长为a的正方形,PB垂直于面ABCD, 证明无论四棱锥的高怎样变化,面PAD与面PCD所成的二面角恒大于90°。
分析:注意到题目中所给的二面角,面PAD与面PCD,其棱为PD,围绕PD而考虑问题的解决途径。
证法一:利用定义法。
过点A在PDA平面内作AE⊥PD于点E,连接CE.
∵底是正方形故CD=DA, △CED≌△AED, AE=EC, ∠CED=∠AED=90°.
则CE⊥PD,故∠CEA是面PAD与面PCD所成的二面角的平面角。
设AC与BD交于点O,连接EO,则EO⊥AC.
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∴面PAD与面PCD所成的二面角恒大于90°
证法二:运用三垂线法。
∵PB⊥面ABCD,则PB⊥AD.
又AD⊥AB,
∴AD⊥面PAB,即面PAB⊥面PAD.
过点B作BE⊥PA,则BE⊥面PAD.
在面PBC内作PG

BC,连接GD.
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过点C作CF⊥面PAD于点F,
那么连结EF,有EF

AD.
过点F作FH⊥PD于点H,连结CH,
则∠FHC就CF是所求二面角平面角的补角,
∵CF⊥FH,故∠FHC是锐角,则面PAD与面PCD所成的二面角大于90°.
此结论证明过程中与棱锥的高无关.
二、除了以上的二种求二面角的方法,我们还有以下一个公式:
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至于第二种分析方法最终回到找二面角的方法上来,这里我不用过多的例子来说明,也就是二面角的定义法。
三、综上所述,二面角其平面角的正确而合理的定位,要在正确其定义的基础上,掌握其三个基本特征,并灵活运用它们考察问题的环境背景,建立良好的主观心理空间和客观心理空间,以不变应万变。