25.[填空题]平面x+2y-z-3=0和平面2x+y+z+5=0的夹角是____ 第一空: ——
题目解答
答案
平面 $x + 2y - z - 3 = 0$ 的法向量为 $\overrightarrow{m} = (1, 2, -1)$,平面 $2x + y + z + 5 = 0$ 的法向量为 $\overrightarrow{n} = (2, 1, 1)$。 计算点积: $\overrightarrow{m} \cdot \overrightarrow{n} = 1 \cdot 2 + 2 \cdot 1 + (-1) \cdot 1 = 3$ 计算模长: $|\overrightarrow{m}| = \sqrt{6}, \quad |\overrightarrow{n}| = \sqrt{6}$ 夹角余弦值: $\cos \theta = \frac{|\overrightarrow{m} \cdot \overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{m}| |\overrightarrow{n}|} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}$ 夹角: $\theta = \cos^{-1} \left( \frac{1}{2} \right) = 60^\circ$ 答案: $\boxed{60^\circ}$
解析
本题考查知识点为两平面夹角的计算,解题思路是先找出两个平面的法向量,然后通过法向量的点积公式求出两法向量夹角的余弦值,最后根据两平面夹角与法向量夹角的关系得到两平面的夹角。
步骤一:确定两个平面的法向量
对于平面$Ax + By + Cz + D = 0$,其法向量为$\overrightarrow{N}=(A,B,C)$。
已知平面$x + 2y - z - 3 = 0$,则该平面的法向量$\overrightarrow{m}=(1,2, - 1)$;
平面$2x + y + z + 5 = 0$,其法向量$\overrightarrow{n}=(2,1,1)$。
步骤二:计算两个法向量的点积
根据向量点积的坐标运算公式,若$\overrightarrow{a}=(x_1,y_1,z_1)$,$\overrightarrow{b}=(x_2,y_2,z_2)$,则$\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b}=x_1x_2 + y_1y_2 + z_1z_2$。
所以$\overrightarrow{m}\cdot\overrightarrow{n}=1\times2 + 2\times1+( - 1)\times1$
$=2 + 2 - 1$
$=3$
步骤三:计算两个法向量的模长
根据向量模长的计算公式,若$\overrightarrow{a}=(x,y,z)$,则$|\overrightarrow{a}|=\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}}$。
对于$\overrightarrow{m}=(1,2, - 1)$,$|\overrightarrow{m}|=\sqrt{1^{2}+2^{2}+(-1)^{2}}=\sqrt{1 + 4 + 1}=\sqrt{6}$;
对于$\overrightarrow{n}=(2,1,1)$,$|\overrightarrow{n}|=\sqrt{2^{2}+1^{2}+1^{2}}=\sqrt{4 + 1 + 1}=\sqrt{6}$。
步骤四:计算两平面夹角的余弦值
设两平面的夹角为$\theta$($0^{\circ}\leq\theta\leq90^{\circ}$),两平面法向量的夹角为$\langle\overrightarrow{m},\overrightarrow{n}\rangle$,则$\cos\theta =|\cos\langle\overrightarrow{m},\overrightarrow{n}\rangle|$。
根据向量点积公式$\overrightarrow{m}\cdot\overrightarrow{n}=|\overrightarrow{m}|\times|\overrightarrow{n}|\times\cos\langle\overrightarrow{m},\overrightarrow{n}\rangle$,可得$\cos\theta=\frac{|\overrightarrow{m}\cdot\overrightarrow{n}|}{|\overrightarrow{m}|\times|\overrightarrow{n}|}$。
将$\overrightarrow{m}\cdot\overrightarrow{n}=3$,$|\overrightarrow{m}|=\sqrt{6}$,$|\overrightarrow{n}|=\sqrt{6}$代入上式,得$\cos\theta=\frac{|3|}{\sqrt{6}\times\sqrt{6}}=\frac{3}{6}=\frac{1}{2}$。
步骤五:求出两平面的夹角
因为$\cos\theta=\frac{1}{2}$,且$0^{\circ}\leq\theta\leq90^{\circ}$,所以$\theta=\arccos\frac{1}{2}=60^{\circ}$。