立体几何中二面角的平面角的定位（安庆怀宁）

立体几何中二面角的平面角的定位（安庆怀宁）3月20日 空间图形的位置关系是立体几何的重要内容，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，而宣则是定位、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，来谈一谈平日教学中体会。  一、 重温二面角的平面角的定义  如图（1），α、β是由ι出发的两个平面,O是ι上任意一点,OC  α，且OC⊥ι；CD β，且OD⊥ι。这就是二面角的平面角的环境背景，即∠COD是二面角α—ι—β的平面角，从中不难得到下列特征：    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ι、OC、OD、AB，这便是另一特征；  Ⅲ、体现出一完整的垂线定理（或逆定理）的环境背景。  对以上特征进行剖析  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。  特征Ⅰ表明，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。  例1 已知正三棱锥V—ABC侧棱长为a，高为b，求侧面与底面所成的角的大小。  由于正三棱锥的顶点V在底面ABC上的射影H是底面的中心，所以连结CH交AB于O，且OC⊥AB，则∠VOC为侧面与底面所成二面角的平面角如图（2）。正因为正三棱锥的特性，解决此问题，可以取AB的中点O为其平面角的顶点，而且使背景突出在面VOC上，给进一步定量创造得天独厚的条件。  特征Ⅱ指出，如果二面角α—ι—β的棱ι垂直某一平面γ与  α、β的交线，而交线所成的角就是α—ι—β的平面角，如图。    由此可见，二面角的平面角的定位可以考虑找“垂平面”。  例2 矩形ABCD，AB=3，BC=4，沿对角线BD把△ABD折起，  使点A在平面BCD上的射影A′落在BC上，求二面角A—BC-—C的大小。    这是一道由平面图形折叠成立体图形的问题，解决问题的关键在  于搞清折叠前后“变”与“不变”。结果在平面图形中过A作AE⊥BD交BD于O、交BC于E，则折叠后OA、OE与BD的垂直关系不变。但OA与OE此时变成相交两线段并确定一平面，此平面必与棱垂直。由特征Ⅱ可知，面AOE与面ABD、面CBD的交线OA与OE所成的角，即为所求二面角的平面角。另外，A在面BCD上的射影必在OE所在的直线上，又题设射影落在BC上,所以E点就是A′，这样的定位给下面的定量提供了优质服务。事实上，AO=AB·AD/BD=3*4/5=12/5，OA′=OE=BO·tgc∠CBD，而BO=AB2/BD=9/5, tg∠CBD，故OA′=27/20。在Rt△AA′O中，∠AA′O=90°所以cos∠AOA′=A′O/AO=9/16，ty∠AOA′=arccos9/16即所求的二面arccos9/16。  通过对例2的定性分析、定位作图和定量计算，特征Ⅱ从另一角度告诉我们：要确定二面角的平面角，我们可以把构成二面角的两个半平面“摆平”，然后，在棱上选取一适当的垂线段，即可确定其平面角。“平面图形”与“立体图形”相映生辉，不仅便于定性、定位，更利于定量。  特征Ⅲ显示，如果二面角α—ι—β的两个半平面之一，存在垂线段AB，那么过垂足B作ι的垂线交ι于O，连结AO，由三垂线定理可知OA⊥ι；或者由A作ι的垂线交ι于O，连结OB，由三垂线定理逆定理可知OB⊥ι，此时，∠AOB就是二面角α—ι—β的平面角，如图。    由此可见，地面角的平面角的定位可以找“垂线段”。    例3 在正方体ABCD—A1B1C1D1中，棱长为2，E为BC的中点。求面B1D1E与面积BB1C1C所成的二面角的大小。  例3的环境背景表明，面B1D1E与面BB1C1C构成两个二面角，  由特征Ⅱ可知，这两个二面角的大小必定互补，下面，如  果思维由特征Ⅲ监控,背景中的线段C1D1会使眼睛一亮,我们只须由C1(或D1)作B1E的垂线交B1E于O,然后连结OD1(或OC1),即得面D1BE与面CC1B1E所成二面角的平面角∠C1OD1，如图，计算可得C1O=4*51/2/5。  在Rt△D1C1O中，tg∠C1OD=D1C1/C1O=51/2/2。  故所求的二面角角为arctg51/2/2或π-arctg=51/2/2  三、三个特征的关系  以上三个特征提供的思路在解决具体总是时各具特色，其标的是  分别找“点”、“垂面”、“垂线段”。事实上，我们只要找到其中一个，另两个就接踵而来。掌握这种关系对提高解题技能和培养空间想象力非常重要。  1、 融合三个特征对思维的监控，可有效地克服、抑制思维的  消极作用，培养思维的广阔性和批判性。  例3 将棱长为a的正四面体的一个面与棱长为a的正四棱锥的  一个侧面吻合，则吻合后的几何呈现几个面？    这是一道竞赛题，考生答“7个面”的占99.9%，少数应服从多数吗？  如图，过两个几何体的高线VP、VQ的垂足P、Q分别作BC的垂线，则垂足重合于O，且O为BC的中点，OP延长过A，OQ延长交ED于R。由特征Ⅲ，∠AOR为二面角A—BC—R平面角，结合特征Ⅰ、Ⅱ，可得VAOR为平行四边形，VA//BE，所以V、A、B、E共面，同理V、A、C、D共面，所以这道题的答案应该是5个面！  2、 三个特征，虽然客观存在，互相联系，但在许多同题中却  表现得含糊而冷漠——三个“标的”均藏而不露，在这种形势下，逼你去作，那么作谁？  由特征Ⅲ，有了“垂线段”便可定位。  例4 已知Rt△ABC的两直角边AC=2，BC=3，P为斜边上一  点，沿CP将此直角三角形折成直二面角A—CP—B，当AB=71/2时，求二面角P—AC—B的大小。    作法一：∵A—CP—B为直角二面角，  ∴过B作BD⊥CP交CP的延长线于D，则BD⊥DM APC。  ∴过D作DE ⊥AC，垂足为E，连BE。  ∴∠DEB为二面角A—CP—B的平面角。  作法二：过P点作PD′⊥PC交BC于D′，则PD′⊥面APC。  ∴过D′作D′E′⊥AC，垂足为E′，边PE′，  ∴∠D′E′P为二面角P—AC—B的平面角。  再说，定位是为了定理，求角的大小往往要化归到一个三角形中去解，有了“垂线段”就可把它化归为解一个直角三角形。  由此可见，要作，最好考虑作“垂线段”。  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。  （载1995年第6期《中学数学教学参考》）     安庆怀宁