Угол между прямой и плоскостью и между плоскостями
Угол между прямой и плоскостью — угол между прямой и её проекцией на плоскость. Угол между плоскостями измеряют линейным углом: два перпендикуляра к линии пересечения плоскостей из одной её точки, по одному в каждой плоскости. Оба угла ищут в прямоугольном треугольнике; часто его катет — перпендикуляр к плоскости. Когда построение трудно, помогают площадь проекции и координаты.
Каждый угол — в прямоугольном треугольнике
Сведите угол в пространстве к углу треугольника и найдите его синус, косинус или тангенс (острый угол).
- Прямая и плоскость: из точки прямой опустите перпендикуляр на плоскость. Прямая пересекает плоскость в точке , угол — , .
- Две плоскости: линейный угол — угол между перпендикулярами к линии пересечения, проведёнными в обеих плоскостях из одной точки.
- Через теорему о трёх перпендикулярах: перпендикуляр к одной плоскости и перпендикуляр к линии пересечения дают линейный угол .
- Через площадь проекции: .
- Через координаты: нормали плоскостей и направляющий вектор прямой.
- Угол между прямой и плоскостью и угол между плоскостями лежат от до . Если угол не табличный, ответ записывают через , или .
Прямая и плоскость: угол с проекцией
Угол между наклонной и плоскостью — угол между и её проекцией , где — перпендикуляр к плоскости. Треугольник прямоугольный, поэтому , .
Главное — доказать, куда падает перпендикуляр. Для этого найдите в плоскости две пересекающиеся прямые, перпендикулярные (признак).
Пример
В правильной треугольной призме сторона основания равна 6, боковое ребро равно 8. Точка — середина ребра . а) Докажите, что перпендикулярна плоскости . б) Найдите угол между прямой и плоскостью .
- 1.а) — медиана равностороннего треугольника , поэтому . Кроме того, : боковое ребро перпендикулярно основанию.
- 2. перпендикулярна двум пересекающимся прямым грани , значит, перпендикулярна грани. Что и требовалось доказать.
- 3.б) — проекция на плоскость , искомый угол — , треугольник прямоугольный с прямым углом .
- 4., .
- 5., .
Ответ: б)
Синус угла через расстояние до плоскости
Если проекцию построить трудно, найдите расстояние от точки прямой до плоскости любым способом (расстояние до плоскости). Тогда , где — точка пересечения прямой с плоскостью.
Удобно взять точку , до которой расстояние уже известно или легко считается методом объёмов.
Пример
В кубе с ребром 4 найдите угол между прямой и плоскостью .
- 1.Прямая пересекает плоскость в точке .
- 2.Расстояние от до плоскости : (расчёт).
- 3., .
Ответ:
Две плоскости: линейный угол
Найдите прямую , по которой пересекаются плоскости. Возьмите на ней точку и проведите в каждой плоскости перпендикуляр к из точки . Угол между этими перпендикулярами — линейный угол, он и есть угол между плоскостями. Величина линейного угла не зависит от выбора точки .
Перпендикуляры к удобно строить как медианы равнобедренных треугольников с основанием на . Если линейный угол тупой, угол между плоскостями равен минус он.
Пример
В кубе с ребром 4 точка — центр грани . а) Докажите, что — линейный угол между плоскостями и . б) Найдите угол между этими плоскостями.
- 1.а) Плоскости и пересекаются по прямой .
- 2.: диагонали квадрата перпендикулярны. Треугольник равносторонний (стороны — диагонали граней), его медиана перпендикулярна .
- 3.Перпендикуляры к из точки в двух плоскостях образуют линейный угол . Что и требовалось доказать.
- 4.б) Треугольник прямоугольный: , .
- 5., .
Ответ: б)
Линейный угол через теорему о трёх перпендикулярах
Пусть известен перпендикуляр из точки одной плоскости к другой плоскости. Проведите перпендикулярно линии пересечения . По теореме о трёх перпендикулярах (три перпендикуляра), поэтому — линейный угол.
Треугольник прямоугольный: , . Обратная теорема работает так же: если , то и проекция .
Линейный угол в любой точке ребра
Пример задания
Открытый банк ФИПИ
Все рёбра правильной треугольной призмы ABCA1B1C1 имеют длину 6. Точки M и N – середины рёбер AA1 и A1C1 соответственно.
а) Докажите, что прямые BM и MN перпендикулярны.
б) Найдите угол между плоскостями BMN и ABB1.
Угол через площадь проекции
Если многоугольник лежит в одной плоскости, а его проекция на другую плоскость — простая фигура, то (площадь проекции). Линейный угол строить не нужно.
Так удобно искать угол сечения с основанием: проекции вершин сечения на основание — основания перпендикуляров из этих вершин.
Пример
В правильной четырёхугольной пирамиде сторона основания равна 4, высота равна 8. Плоскость проходит через ребро и середины и рёбер и . Найдите косинус угла между этой плоскостью и плоскостью основания.
- 1. — средняя линия треугольника : , . Сечение — равнобедренная трапеция.
- 2.Проекции и точек и — середины и . Проекция сечения — трапеция с основаниями 4 и 2 и высотой 3: .
- 3.Пусть и — середины и , — проекция . , , поэтому высота трапеции и .
- 4..
Ответ:
Координатный метод: нормали
Если плоскость задана уравнением , её нормаль — (уравнение плоскости). Угол между плоскостями: (скалярное произведение).
Угол между прямой с направляющим вектором и плоскостью с нормалью : . Модуль в числителе нужен: угол между прямой и плоскостью не тупой.
Пример
В кубе с ребром 4 точка — середина ребра . Найдите угол между плоскостью и плоскостью основания .
- 1.Начало координат — , оси по , , . Плоскость : (вывод уравнения), нормаль .
- 2.Плоскость основания , нормаль .
- 3., .
Ответ:
Проверьте себя
00