理学论文：立体几何中二面角的平面角的定位

 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