知識梳理
1.異面直線所成的角
(1)定義:已知兩條異面直線a,b,經過空間任一點O分別作直線a′∥a,b′∥b,把直線a′與b′所成的銳角(或直角)叫做異面直線a與b所成的角(或夾角).
(2)范圍:eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))).
2.直線和平面所成的角
(1)定義:平面的一條斜線和它在平面上的射影所成的銳角,叫做這條直線和這個平面所成的角,一條直線垂直于平面,則它們所成的角是90°;一條直線和平面平行或在平面內,則它們所成的角是0°.
(2)范圍:eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))).
3.二面角
(1)定義:從一條直線出發(fā)的兩個半平面所組成的圖形叫做二面角.
(2)二面角的平面角
若有①O∈l;
②OA?α,OB?β;
③OA⊥l,OB⊥l,則二面角α-l-β的平面角是∠AOB.
(3)二面角的平面角α的范圍:[0,π].
思考辨析
判斷下列結論是否正確(請在括號中打“√”或“×”)
(1)若直線l1,l2與同一個平面所成的角相等,則l1∥l2.( × )
(2)異面直線所成角的范圍為eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))).( × )
(3)如果平面α∥平面α1,平面β∥平面β1,那么平面α與平面β所成的二面角和平面α1與平面β1所成的二面角相等或互補.( √ )
(4)線面角的范圍為eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(π,2))),二面角的范圍為[0,π].( √ )
教材改編題
1.如圖所示,在正方體ABCD—A1B1C1D1中,E,F分別是AB,AD的中點,則異面直線B1C與EF所成角的大小為( )
A.30° B.45°
C.60° D.90°
答案 C
解析 連接B1D1,D1C(圖略),則B1D1∥EF,故∠D1B1C即為所求的角或其補角.又B1D1=B1C=D1C,∴△B1D1C為等邊三角形,∴∠D1B1C=60°.
2.如圖所示,AB是⊙O的直徑,PA⊥⊙O所在的平面,C是圓上一點,且∠ABC=30°,PA=AB,則直線PC和平面ABC所成角的正切值為________.
答案 2
解析 因為PA⊥平面ABC,所以AC為斜線PC在平面ABC上的射影,所以∠PCA即為PC和平面ABC所成的角.在Rt△PAC中,因為AC=eq \f(1,2)AB=eq \f(1,2)PA,所以tan∠PCA=eq \f(PA,AC)=2.
3.如圖,在正方體ABCD-A′B′C′D′中:
①二面角D′-AB-D的大小為________.
②二面角A′-AB-D的大小為________.
答案 ①45° ②90°
解析 ①在正方體ABCD-A′B′C′D′中,AB⊥平面ADD′A′,所以AB⊥AD′,AB⊥AD,因此∠D′AD為二面角D′-AB-D的平面角.在Rt△D′DA中,∠D′AD=45°,所以二面角D′-AB-D的大小為45°.
②因為AB⊥平面ADD′A′,所以AB⊥AD,AB⊥AA′,因此∠A′AD為二面角A′-AB-D的平面角,又∠A′AD=90°,所以二面角A′-AB-D的大小為90°.
題型一 異面直線所成的角
例1 (1)在長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=BC=1,AA1=eq \r(3),則異面直線AD1與DB1所成角的余弦值為( )
A.eq \f(1,5) B.eq \f(\r(5),6)
C.eq \f(\r(5),5) D.eq \f(\r(2),2)
答案 C
解析 如圖,連接BD1,交DB1于O,取AB的中點M,連接DM,OM.易知O為BD1的中點,所以AD1∥OM,則∠MOD為異面直線AD1與DB1所成角或其補角.因為在長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=BC=1,AA1=eq \r(3),
AD1=eq \r(AD2+DD\\al(2,1))=2,
DM=eq \r(AD2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)AB))2)=eq \f(\r(5),2),
DB1=eq \r(AB2+AD2+BB\\al(2,1))=eq \r(5).
所以OM=eq \f(1,2)AD1=1,OD=eq \f(1,2)DB1=eq \f(\r(5),2),
于是在△DMO中,由余弦定理,
得cs∠MOD=eq \f(12+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(5),2)))2-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(5),2)))2,2×1×\f(\r(5),2))=eq \f(\r(5),5),
即異面直線AD1與DB1所成角的余弦值為eq \f(\r(5),5).
延伸探究 若將本例(1)中題干條件“AA1=eq \r(3)”變?yōu)椤爱惷嬷本€A1B與AD1所成角的余弦值為eq \f(9,10)”.試求AA1的值.
解 設AA1=t,∵AB=BC=1,
∴A1C1=eq \r(2),A1B=BC1=eq \r(t2+1).
∴cs∠A1BC1=eq \f(A1B2+BC\\al(2,1)-A1C\\al(2,1),2×A1B×BC1)
=eq \f(t2+1+t2+1-2,2×\r(t2+1)×\r(t2+1))=eq \f(9,10),
解得t=3,則AA1=3.
(2)(2022·衡水檢測)如圖,在圓錐SO中,AB,CD為底面圓的兩條直徑,AB∩CD=O,且AB⊥CD,SO=OB=3,SE=eq \f(1,4)SB,則異面直線SC與OE所成角的正切值為( )
A.eq \f(\r(22),2) B.eq \f(\r(5),3) C.eq \f(13,16) D.eq \f(\r(11),3)
答案 D
解析 如圖,過點S作SF∥OE,交AB于點F,連接CF,則∠CSF(或其補角)為異面直線SC與OE所成的角.
∵SE=eq \f(1,4)SB,∴SE=eq \f(1,3)BE.
又OB=3,∴OF=eq \f(1,3)OB=1.
∵SO⊥OC,SO=OC=3,
∴SC=3eq \r(2).
∵SO⊥OF,∴SF=eq \r(SO2+OF2)=eq \r(10).
∵OC⊥OF,∴CF=eq \r(10).
∴在等腰△SCF中,
tan∠CSF=eq \f(\r(?\r(10)?2-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3\r(2),2)))2),\f(3\r(2),2))=eq \f(\r(11),3).
教師備選
(2022·鄭州模擬)如圖,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AC=BC=4,AC⊥BC,CC1=5,D,E分別是AB,B1C1的中點,則異面直線BE與CD所成的角的余弦值為( )
A.eq \f(\r(3),3) B.eq \f(1,3)
C.eq \f(\r(58),29) D.eq \f(3\r(87),29)
答案 C
解析 如圖,取A1C1的中點F,連接DF,EF,CF.
易知EF是△A1B1C1的中位線,
所以EF∥A1B1且EF=eq \f(1,2)A1B1.
又AB∥A1B1且AB=A1B1,D為AB的中點,
所以BD∥A1B1且BD=eq \f(1,2)A1B1,
所以EF∥BD且EF=BD.
所以四邊形BDFE是平行四邊形,
所以DF∥BE,
所以∠CDF就是異面直線BE與CD所成的角或其補角.
因為AC=BC=4,AC⊥BC,CC1=5,D,E,F分別是AB,B1C1,A1C1的中點,
所以C1F=eq \f(1,2)A1C1=2,
B1E=eq \f(1,2)B1C1=2且CD⊥AB.
由勾股定理得AB=eq \r(42+42)=4eq \r(2),
所以CD=eq \f(AC·BC,AB)=eq \f(4×4,4\r(2))=2eq \r(2).
由勾股定理得CF=eq \r(29),DF=BE=eq \r(29).
在△CDF中,由余弦定理得
cs∠CDF=eq \f(?\r(29)?2+?2\r(2)?2-?\r(29)?2,2×\r(29)×2\r(2))=eq \f(\r(58),29).
思維升華 求異面直線所成的角的三個步驟
(1)一作:根據定義作平行線,作出異面直線所成的角.
(2)二證:證明作出的角是異面直線所成的角或其補角.
(3)三求:解三角形,求出所作的角.
跟蹤訓練1 (1)(2021·全國乙卷)在正方體ABCD-A1B1C1D1中,P為B1D1的中點,則直線PB與AD1所成的角為( )
A.eq \f(π,2) B.eq \f(π,3) C.eq \f(π,4) D.eq \f(π,6)
答案 D
解析 方法一 如圖,連接C1P,因為ABCD-A1B1C1D1是正方體,且P為B1D1的中點,所以C1P⊥B1D1,又C1P⊥BB1,所以C1P⊥平面B1BP.又BP?平面B1BP,所以C1P⊥BP.連接BC1,則AD1∥BC1,所以∠PBC1為直線PB與AD1所成的角.設正方體ABCD-A1B1C1D1的棱長為2,則在Rt△C1PB中,C1P=eq \f(1,2)B1D1=eq \r(2),BC1=2eq \r(2),sin∠PBC1=eq \f(PC1,BC1)=eq \f(1,2),
所以∠PBC1=eq \f(π,6).
方法二
如圖所示,連接BC1,A1B,A1P,PC1,則易知AD1∥BC1,所以直線PB與AD1所成的角等于直線PB與BC1所成的角.根據P為正方形A1B1C1D1的對角線B1D1的中點,易知A1,P,C1三點共線,且P為A1C1的中點.易知A1B=BC1=A1C1,所以△A1BC1為等邊三角形,所以∠A1BC1=eq \f(π,3),又P為A1C1的中點,所以可得∠PBC1=eq \f(1,2)∠A1BC1=eq \f(π,6).
(2)如圖,已知圓柱的軸截面ABB1A1是正方形,C是圓柱下底面弧AB的中點,C1是圓柱上底面弧A1B1的中點,那么異面直線AC1與BC所成角的正切值為________.
答案 eq \r(2)
解析 如圖,取圓柱下底面弧AB的另一中點D,連接C1D,AD,
因為C是圓柱下底面弧AB的中點,
所以AD∥BC,
所以直線AC1與AD所成的角等于異面直線AC1與BC所成的角.
因為C1是圓柱上底面弧A1B1的中點,
所以C1D⊥圓柱下底面,所以C1D⊥AD.
因為圓柱的軸截面ABB1A1是正方形,
所以C1D=eq \r(2)AD,
所以直線AC1與AD所成角的正切值為eq \r(2),
所以異面直線AC1與BC所成角的正切值為eq \r(2).
題型二 直線與平面所成的角
例2 如圖,在長方體ABCD-A1B1C1D1中,E,F分別為BC,CC1的中點,AB=AD=2,AA1=3.
(1)證明:EF∥平面A1ADD1;
(2)求直線AC1與平面A1ADD1所成角的正弦值.
(1)證明 如圖,連接BC1,AD1,由E,F分別為BC,CC1的中點,可得EF∥BC1,
在長方體ABCD-A1B1C1D1中,
AB∥C1D1,AB=C1D1,
因此四邊形ABC1D1為平行四邊形,
所以BC1∥AD1,
所以EF∥AD1,
又EF?平面A1ADD1,AD1?平面A1ADD1,
所以EF∥平面A1ADD1.
(2)解 在長方體ABCD-A1B1C1D1中,
因為C1D1⊥平面A1ADD1,
所以AC1在平面A1ADD1中的射影為AD1,
所以∠C1AD1(或其補角)為直線AC1與平面A1ADD1所成的角,
由題意知AC1=eq \r(22+22+32)=eq \r(17),
在Rt△AD1C1中,sin∠C1AD1=eq \f(C1D1,AC1)=eq \f(2,\r(17))=eq \f(2\r(17),17),
即直線AC1與平面A1ADD1所成角的正弦值為eq \f(2\r(17),17).
教師備選
如圖,在四棱錐P-ABCD中,底面ABCD為正方形,PD=BC=1,二面角P-CD-A為直二面角.
(1)若E為線段PC的中點,求證:DE⊥PB;
(2)若PC=eq \r(3),求PC與平面PAB所成角的正弦值.
(1)證明 ∵PD=DC=1,且E為PC的中點,
∴DE⊥PC,
又∵二面角P-CD-A為直二面角,
∴平面PCD⊥平面ABCD,
∵BC⊥CD,平面PCD∩平面ABCD=CD,
∴BC⊥平面PCD,
∴BC⊥DE.
∵BC?平面PBC,PC?平面PBC,BC∩PC=C,
∴DE⊥平面PBC,
又∵PB?平面PBC,
∴DE⊥PB.
(2)解 若PC=eq \r(3),
由余弦定理可求得∠PDC=120°,
過點P作PH⊥CD的延長線于H,如圖,
可得PH⊥平面ABCD,
在Rt△PHD中,
PH=PDsin 60°=eq \f(\r(3),2),
過H點作HG∥DA,且HG與BA的延長線交于G點.
可得HG⊥AB,從而PG⊥AB.
在Rt△PHG中,PG=eq \r(PH2+HG2)=eq \f(\r(7),2),
∴VP-ABC=eq \f(1,3)S△ABC·PH=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)×eq \f(\r(3),2)=eq \f(\r(3),12),
設點C到平面PAB的距離為h,
則三棱錐C-PAB的體積
V=eq \f(1,3)S△ABP·h=eq \f(1,3)×eq \f(1,2)×eq \f(\r(7),2)h=eq \f(\r(3),12),
解得h=eq \f(\r(3),\r(7)),設PC與平面PAB所成的角為θ,
sin θ=eq \f(h,PC)=eq \f(\r(7),7),
即PC與平面PAB所成角的正弦值為eq \f(\r(7),7).
思維升華 求線面角的三個步驟
一作(找)角,二證明,三計算,其中作(找)角是關鍵,先找出斜線在平面上的射影,關鍵是作垂線,找垂足,然后把線面角轉化到三角形中求解.
跟蹤訓練2 (1)如圖,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,D為AC的中點.若AB=BC=BB1,∠ABC=eq \f(π,2),則CC1與平面BC1D所成角的正弦值為________.
答案 eq \f(\r(3),3)
解析 過點C作CH⊥C1D于點H,如圖,
∵三棱柱ABC-A1B1C1為直三棱柱,
∴CC1⊥平面ABC.
∵BD?平面ABC,
∴CC1⊥BD.
∵AB=BC,D為AC的中點,
∴BD⊥AC,
又CC1∩AC=C,CC1,AC?平面ACC1,
∴BD⊥平面ACC1,
∵CH?平面ACC1,
∴BD⊥CH.
又CH⊥C1D,C1D∩BD=D,C1D,BD?平面BC1D,
∴CH⊥平面BC1D,
∴∠CC1D為CC1與平面BC1D所成的角,
設AB=2a,
則CD=eq \r(2)a,C1D=eq \r(6)a,
∴sin∠CC1D=eq \f(CD,C1D)=eq \f(\r(2)a,\r(6)a)=eq \f(\r(3),3).
(2)(2022·貴溪市實驗中學模擬)如圖,在長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=AD=1,AA1=2,點P為DD1的中點.
①求證:直線BD1∥平面PAC;
②求直線BD1與平面ABCD所成角的正切值.
①證明 如圖,設AC和BD交于點O,則O為BD的中點,
連接PO,又∵P是DD1的中點,故PO∥BD1,
又∵PO?平面PAC,BD1?平面PAC,
∴直線BD1∥平面PAC.
②解 在長方體ABCD-A1B1C1D1中,
∵DD1⊥平面ABCD,
∴∠D1BD是直線BD1與平面ABCD所成的角,
∵DD1=2,BD=eq \r(AB2+AD2)=eq \r(2),
∴tan∠D1BD=eq \f(2,\r(2))=eq \r(2),
∴直線BD1與平面ABCD所成角的正切值為eq \r(2).
題型三 二面角
例3 (2022·上海市延安中學模擬)如圖,在多面體ABCDEF中,四邊形ABCD是邊長為2的菱形,∠BAD=60°,四邊形BDEF是正方形,平面BDEF⊥平面ABCD.
(1)證明:平面ACE⊥平面BDEF;
(2)若點M是線段BF上的一點,且滿足DM⊥平面ACE,求二面角A-DM-B的正切值.
(1)證明 ∵四邊形ABCD是菱形,
∴AC⊥BD,
由四邊形BDEF是正方形有DE⊥BD,
又平面BDEF⊥平面ABCD,平面BDEF∩平面ABCD=BD,DE?平面BDEF,
∴DE⊥平面ABCD,
又AC?平面ABCD,
∴DE⊥AC,
又BD∩DE=D,且BD,DE?平面BDEF,
∴AC⊥平面BDEF,由AC?平面ACE,
∴平面ACE⊥平面BDEF.
(2)解 設O是AC,BD的交點,連接OE交DM于G,連接AG,如圖.
由DM⊥平面ACE,AG,OE?平面ACE,
∴AG⊥DM,OE⊥DM,
∴∠AGO是二面角A-DM-B的平面角,
由射影定理知,OD2=OG·OE,OD=1,DE=2,
則OE=eq \r(5),OG=eq \f(\r(5),5).
∴tan∠AGO=eq \f(AO,OG)=eq \r(15),
∴二面角A-DM-B的正切值為eq \r(15).
教師備選
如圖,在正方體ABCD-A1B1C1D1中,點E在線段CD1上,CE=2ED1,點F為線段AB上的動點,AF=λFB,且EF∥平面ADD1A1.
(1)求λ的值;
(2)求二面角E-DF-C的余弦值.
解 (1)過E作EG⊥D1D于G,連接GA,如圖.
則EG∥CD,而CD∥FA,所以EG∥FA.
因為EF∥平面ADD1A1,EF?平面EFAG,
平面EGAF∩平面ADD1A1=GA,所以EF∥GA,
所以四邊形EGAF是平行四邊形,所以GE=AF.
因為CE=2ED1,
所以eq \f(GE,DC)=eq \f(D1E,D1C)=eq \f(1,3).
所以eq \f(AF,AB)=eq \f(1,3),即eq \f(AF,FB)=eq \f(1,2),所以λ=eq \f(1,2).
(2)過E作EH⊥CD于H,過H作HM⊥DF于M,連接EM,如圖.
因為平面CDD1C1⊥平面ABCD,EH⊥CD,
所以EH⊥平面ABCD.
因為DF?平面ABCD,所以EH⊥DF.
又HM⊥DF,HM∩EH=H,
HM,EH?平面EMH,
所以DF⊥平面EMH.
因為EM?平面EMH,所以DF⊥EM.
所以∠EMH是二面角E-DF-C的平面角.
設正方體的棱長為3a,則EH=2a.
在Rt△DHF中,DH=a,HF=3a,DF=eq \r(10)a,
所以HM=eq \f(DH·HF,DF)=eq \f(a×3a,\r(10)a)=eq \f(3,\r(10))a.
在Rt△EHM中,求得EM=eq \r(EH2+HM2)=eq \f(7,\r(10))a,
所以cs∠EMH=eq \f(HM,EM)=eq \f(3,7),
所以二面角E-DF-C的余弦值為eq \f(3,7).
思維升華 作二面角的平面角的方法
作二面角的平面角可以用定義法,也可以用垂面法,即在一個半平面內找一點作另一個半平面的垂線,再過垂足作二面角的棱的垂線,兩條垂線確定的平面和二面角的棱垂直,由此可得二面角的平面角.
跟蹤訓練3 如圖,在四棱錐P-ABCD中,四邊形ABCD是邊長為2的正方形,△PBC為正三角形,M,N分別為PD,BC的中點,PN⊥AB.
(1)求三棱錐P-AMN的體積;
(2)求二面角M-AN-D的正切值.
解 (1)∵PB=PC,
∴PN⊥BC,
又∵PN⊥AB,AB∩BC=B,
AB,BC?平面ABCD,
∴PN⊥平面ABCD,
∵AB=BC=PB=PC=2,
∴PN=eq \r(3),
M為PD的中點,VP-AMN=VD-AMN=VM-ADN,
∴VP-AMN=eq \f(1,2)VP-ADN=eq \f(1,4)VP-ABCD=eq \f(1,4)×eq \f(1,3)×4×eq \r(3)=eq \f(\r(3),3).
(2)如圖,取DN的中點E,連接ME,
∵M,E分別為PD,DN的中點,
∴ME∥PN,
∵PN⊥平面ABCD,
∴ME⊥平面ABCD,
過E作EQ⊥AN,連接MQ,
又ME⊥AN,EQ∩ME=E,EQ,ME?平面MEQ,
∴AN⊥平面MEQ,
∴AN⊥MQ,
∠MQE即為二面角M-AN-D的平面角,
∴tan∠MQE=eq \f(ME,QE),
∵PN=eq \r(3),
∴ME=eq \f(\r(3),2),
∵AN=DN=eq \r(5),AD=2,
∴QE=eq \f(2\r(5),5),
∴tan∠MQE=eq \f(\r(15),4).
即該二面角的正切值為eq \f(\r(15),4).
課時精練
1.(2020·新高考全國Ⅰ)日晷是中國古代用來測定時間的儀器,利用與晷面垂直的晷針投射到晷面的影子來測定時間.把地球看成一個球(球心記為O),地球上一點A的緯度是指OA與地球赤道所在平面所成角,點A處的水平面是指過點A且與OA垂直的平面.在點A處放置一個日晷,若晷面與赤道所在平面平行,點A處的緯度為北緯40°,則晷針與點A處的水平面所成角為( )
A.20° B.40° C.50° D.90°
答案 B
解析 如圖所示,⊙O為赤道平面,⊙O1為A點處的日晷面所在的平面,
由點A處的緯度為北緯40°可知∠OAO1=40°,
又點A處的水平面與OA垂直,晷針AC與⊙O1所在的面垂直,
則晷針AC與水平面所成角為40°.
2.如圖,PA⊥圓O所在平面,AB是圓O的直徑,C是圓周上一點,其中AC=3,PA=4,BC=5,則PB與平面PAC所成角的正弦值為( )
A.eq \f(\r(2),2) B.eq \f(1,2)
C.eq \f(\r(3),2) D.eq \f(\r(17),5)
答案 A
解析 根據題意,AB是圓O的直徑,C是圓周上一點,則BC⊥AC,
又由PA⊥圓O所在平面,則PA⊥BC,
因為PA∩AC=A,PA,AC?平面PAC,
則BC⊥平面PAC,故∠BPC是PB與平面PAC所成的角,在△ACB中,AC=3,BC=5,AC⊥BC,
則AB=eq \r(AC2+BC2)=eq \r(34),
在△PAB中,AB=eq \r(34),PA=4,PA⊥AB,
則PB=eq \r(PA2+AB2)=5eq \r(2),
在Rt△PCB中,BC=5,PB=5eq \r(2),
則sin∠BPC=eq \f(BC,PB)=eq \f(\r(2),2).
3.(2022·哈爾濱模擬)已知在直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠ABC=120°,AB=2,BC=CC1=1,則異面直線AB1與BC1所成角的余弦值為( )
A.eq \f(\r(3),2) B.eq \f(\r(15),5)
C.eq \f(\r(10),5) D.eq \f(\r(3),3)
答案 C
解析 如圖所示,補成直四棱柱ABCD-A1B1C1D1,
則所求角為∠BC1D,
∵BC1=eq \r(2),BD=eq \r(22+1-2×2×1×cs 60°)=eq \r(3),C1D=AB1=eq \r(5),易得C1D2=BD2+BCeq \\al(2,1),即BC1⊥BD,
因此cs∠BC1D=eq \f(BC1,C1D)=eq \f(\r(2),\r(5))=eq \f(\r(10),5).
4.在正四面體P-ABC中,點M是棱BC上的動點(包含端點),記異面直線PM與AB所成的角為α,直線PM與平面ABC所成的角為β,則( )
A.α>β B.α

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2024年數學高考大一輪復習第八章 §8.7 向量法求空間角:

這是一份2024年數學高考大一輪復習第八章 §8.7 向量法求空間角,共7頁。試卷主要包含了異面直線所成的角,直線與平面所成的角,二面角等內容,歡迎下載使用。

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