Угол между плоскостями и вектор нормали. Задание 14

В этой статье я еще раз покажу вам решение задачи на нахождение угла между плоскостями с помощью метода координат. Мы воспользуемся тем фактом, что угол между плоскостями равен углу между прямыми, содержащими нормали к этим плоскостям.

Задача такая:

Основание прямой четырехугольной призмы ABCDA_1B_1C_1D_1— прямоугольник A_1B_1C_1D_1, в котором A_1B_1=12, A_1D_1=sqrt{31}. Найдите косинус угла между плоскостью основания призмы и плоскостью, проходящей через середину ребра A_1D_1 перпендикулярно прямой BD_1, если расстояние между прямыми AC и B_1D_1равно 5.

Геометрическое решение этой задачи весьма неочевидно, однако, с помощью метода координат она решается в одно действие.

Заметим несколько важных вещей:

1. Угол между плоскостью основания и плоскостью, перпендикулярной прямой BD_1, не зависит от точки, через которую проведена эта плоскость. Поэтому мы эту точку даже не будем наносить на чертеж.

2. Прямые AC и B_1D_1 лежат в параллельных плоскостях ABCD и A_1B_1C_1D_1, поэтому расстояние между ними равно расстоянию между плоскостями, то есть высоте призмы. Отсюда DD_1=5.

3. Боковые ребра прямой призмы перпендикулярны плоскости основания.

Поместим нашу призму в систему координат и нанесем на чертеж данные задачи:

Вспомним, что

1. В уравнении плоскости ax+by+cz+d=0 коэффициенты (a;b;c) являются координатами вектора нормали к плоскости.

2. Угол между плоскостями равен углу между прямыми, содержащими нормали к этим плоскостям (как углы со взаимно перпендикулярными сторонами)

Получается, что в этой задаче нам нужно найти угол между вектором BD_1 (по условию задачи плоскость проведена перпендикулярно прямой BD_1) и вектором B_1B (это вектор нормали к плоскости основания).

Косинус угла beta между векторами vec{a}(x_1;y_1;z_1) и vec{b}(x_2;y_2;z_2) вычисляется по формуле:

cos{beta}={{x_1}{x_2}+{y_1}{y_2}+{z_1}{z_2}}/{sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2+{z_1}^2}{sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2+{z_2}^2}} }

Найдем координаты вектора BD_1

B(0;0;5)

D_1(sqrt{31};12;0)

vec{BD_1}(sqrt{31};12;-5)

vec{B_1B}(0;0;5)

Пусть beta — угол между плоскостью основания призмы и плоскостью, проходящей через середину ребра AD перпендикулярно прямой BD_1.

Тогда cos{beta}=delim{|}{{-25}/{sqrt{(sqrt{31})^2+12^2+({-5})^2}sqrt{25}}}{|}=5/{sqrt{200}}=1/{2sqrt{2}}={sqrt{2}}/4

Ответ: {sqrt{2}}/4