构造三角形重心巧定两平面法向量的方法[资料]
构造三角形重心巧定两平面法向量的方向
利用平面的法向量可以方便的求出二面角平面角的大小,由于两法向量的夹角未必就是二面角的平面角的大小,许多杂志上都介绍了直接从图形上观察两法向量的方向,来确定两法向量的夹角是否为两平面的夹角。这种方法虽然简单,但由于空间任意两个向量都是共面的,要从图形上直接判定他们的方向,需要很强的空间想象能力,好多学生是达不到这种境界的。在最后的复习中,我利用下面的两个定理引导学生用向量法求二面角的大小时,而学生不知道如何找二面角内的点P,结果给解
题
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带来麻烦。为了帮助学生更好更快的解题,我们在二面角内总可以找到一个三角形,将此三角形的重心作为二面角内的点P,可以不加思索的让学生很方便的正确求解,偶有所得,现结合近年的年高考题,写出来与大家同享。
为了解决问题的方便,现给出如下的两个定理: 定理1:向量是平面的一个法向量,点O在平面内,点P在平面外。若,mm,OP,0,,,则向量与向量指向平面的同侧(如图1);若,则向量与向量指mOPm,OP,0mOP,
向平面的异侧(如图2)。 ,mP Pm
OO ,,
图1 图2
,m,OP,m,OPcos,cos,,0证明:当时,?,?,0,?,?向量m,OP,0m,,2
,cos,,,,,与向量OP指向平面的同侧。同理可证当m,OP,0时,,0,?,,2
?向量mOP与向量指向平面,的异侧。
lP定理2:点是二面角内一点,点O是棱上一点,向量分别是平面的,,l,,,,,m,n
,m,OPn,OP一个法向量,二面角大小为。若与同号,则;若,,l,,,,,,,m,n,m,OPn,OP与异号,则(如图3) ,,,m,n,
n
mP,
,
O
图3
证明:(一)若与异号 m,OPn,OP
1)当且时,由定理1易知:向量与向量指向平面的同侧;m,OP,0n,OP,0mOP,
向量与向量指向平面的异侧,而始终都是指向两平面外部的,所以向nOPOP,
量与向量与两平面的指向互异,所以 mn,,,m,n,
2)同理可证当且时, m,OP,0n,OP,0,,,m,n,
(二)若与同号 m,OPn,OP
1)当且时,由定理1易知:向量与向量指向平面的同侧;n,OP,0m,OP,0mOP,
向量与向量也指向平面的同侧,而始终都是指向两平面外部的,所以nOPOP,
向量与向量与两平面的指向一致,所以; mn,,,,,m,n,2)同理可证:当且时, n,OP,0m,OP,0,,,,,m,n,例1、(2008年全国高考数学北京卷文)
如图,在三棱锥P-ABC中,AC=BC=2,?ACB=90?,AP=BP=AB,PC?AC.
(?)求证:PC?AB;
(?)求二面角B-AP-C的大小.
解:(?)略
PC,CB(?)由题易知:?APC??BPC,?,?以C为坐标原点,CB,CA,CP所
y在直线分别为轴、轴、轴,建立空间直角坐标系。xzz
P
AP?,则,,,中点A(0,2,0)B(2,0,0)C(0,0,0)P(0,0,2)
M
,, BA,(,2,2,0),。M(0,1,1)AP,(0,,2,2)PC,(0,0,,2)xy
B设平面BAP的一个法向量为,则由n,(x,y,z)A1111
,n,BA,0,2x,2y,0,,111图4 C,,可得即x,y,z,故可取,,111220,y,z,,11n,AP,0,1,
,n,AP,0,2,.设平面APC的一个法向量为,则由,可得n,(1,1,1)n,(x,y,z)12222,n,PC,02,,2y,2z,0,22,y,z,0即,故可取,由于二面角的棱AP的中点n,(1,0,0),22220,z,2,
22,BPCB,AP,C,BPC,而在二面角内,则的重心Q,(,0,)M(0,1,1)33
2122MQ,(,,1,,)MQ,n,,MQ,n,MQ,n?,?,, ?与异号,MQ,n12123333
B,AP,C,?二面角的大小与的大小相等,所以,n,n,12
n,n3312B,AP,Ccoscos,,故二面角的大小为,,,nn,,,arccos1233nn12
点评:利用三角形重心判定两平面法向量的方向,先在棱上找一点,为方便期间,一般找二面角棱的中点,再结合定理就可以求出二面角的大小。
ABCDE,BCDE例2. (2008年全国高考数学全国卷理科18题),四棱锥中,底面为矩形,侧ABC,BCDEBC,2ABAC,面底面,,,( CD,2
ADCE,(?)证明:;
,CECADE,,ABE(?)设与平面所成的角为45,求二面角的大小( 解:(?)略。
ABAC,ABC,BCDE(?)取CB的中点O, ?,?AO?CB,又侧面底面,?AO?底面BCDE,?以O为坐标原点,OC,Oy,OA所在直线分别为轴、x
y轴、轴,建立空间直角坐标系,则,,B(,1,0,0)C(1,0,0)zz
A,,设,因此 ,A(0,0,a)D(1,2,0)E(,1,2,0)AD,(1,2,,a)
,,二面角的棱AD的中点CD,(0,2,0)DE,(,2,0,0)MBE
y12aM(,,),设平面CAD的法向量为,On,(x,y,z)1111222CDx
图5 ,,xaz2y,0,,111则由,可得,故可取,同,n,CD,n,ADn,(a,0,1),,111,0y,x,2y,az,01,111,
12a,ABCM(,,)理可得平ADE的一个法向量为,由于棱AD的中点,而n,(0,a,2)2222
aC,AD,E,ABC(0,0,)在二面角内,且的重心Q的坐标为, 3
2a22a12aMQ,n,,MQ,n,,MQ,(,,,,,)?,?,, 1233226
,?与同号,?所求的二面角大小与的大小互补,MQ,nMQ,n,n,n,1212
n,n2,12cos,,cos,n,n,,,,,所以,由于CE与平面ABE成的,451222a,1,a,2nn12
角,由题易知平面ABE的一个法向量为,而,所以CE,(,2,2,0)n,(,a,0,1)
10nCEa,22cos,,nn,,,?,a,3sin45:,,,12210a,1,6nCE,
1010coscos,,,,,nn,,,CADE,,,?,?故二面角的大小=.,arccos,121010
点评: 法向量的夹角与二面角的大小可能相等也可能互补,要注意法向量的方向。
利用法向量确定两平面的夹角的基本思想是:根据所求得的法向量的坐标,确定两法向量的指向(可以以坐标原点为起点,以两坐标对应的点分别为终点)若两法向量的指向互异,则它们的夹角与二面角的大小相等;若两法向量的指向一致,则它们的夹角与二面角的大小是互补的。
n,nn,n1212cos,,cos,n,n,,,,arccos即向量指向互异,则,;n,n1122nnnn1212
n,nn,n1212cos,,,cos,n,n,,,,,,,arccos若向量指向一致,则,n,n1122nnnn1212
参考文献:
1、 袁智斌.由动手操作上升到计算推理,中学数学教学参考(高中)(J)2007.6
2、 严勇.立体几何中的轨迹问题,中学数学杂志(高中)(J)2007.3
、 王克亮.不妨回到最朴素的判定方法,中学教研(数学)(J),2008.13