Шаги разбора
I
Метод I · Через проекцию
прямой треугольник ACC₁
- Определение. Угол между прямой и плоскостью — это угол между прямой и её проекцией на эту плоскость. Если прямая не перпендикулярна плоскости, такая проекция определена однозначно.
- Найдём проекцию. Точка $A$ уже лежит в основании $ABCD$, она остаётся на месте. Точка $C_1$ проектируется в $C$ перпендикулярно вниз, так как $CC_1\perp ABCD$.
Следовательно, проекция прямой $AC_1$ на плоскость $ABCD$ — это прямая $AC$. - Искомый угол — это $\angle C_1AC$. Угол между $AC_1$ и его проекцией $AC$.
- Прямоугольный треугольник $ACC_1$. В нём угол $\angle ACC_1 = 90°$ (ребро $CC_1$ перпендикулярно основанию, в котором лежит $AC$).
Катеты: $CC_1 = 1$ (ребро куба), $AC = \sqrt 2$ (диагональ грани). - Тангенс. Тангенс — отношение противолежащего катета к прилежащему: $$\operatorname{tg}\angle C_1AC = \dfrac{CC_1}{AC} = \dfrac{1}{\sqrt 2} = \dfrac{\sqrt 2}{2}.$$
II
Метод II · Через нормаль
координаты и скалярное произведение
- Координаты. Поставим $A$ в начало: $A=(0;0;0)$, $C_1=(1;1;1)$.
- Направляющий вектор прямой. $$\vec u = \vec{AC_1} = (1;\ 1;\ 1),\ |\vec u| = \sqrt{1^2+1^2+1^2} = \sqrt 3.$$
- Нормаль к плоскости $ABCD$. Это плоскость $z=0$, её нормаль — это ось $Oz$: $$\vec n = (0;\ 0;\ 1),\ |\vec n| = 1.$$
- Формула. Синус угла между прямой и плоскостью равен модулю косинуса угла между направляющей и нормалью: $$\sin\varphi = \dfrac{|\vec u\cdot\vec n|}{|\vec u|\cdot|\vec n|} = \dfrac{|1\cdot 0 + 1\cdot 0 + 1\cdot 1|}{\sqrt 3\cdot 1} = \dfrac{1}{\sqrt 3}.$$
- От синуса к тангенсу. $$\cos\varphi = \sqrt{1-\sin^2\varphi} = \sqrt{1-\tfrac13} = \sqrt{\tfrac{2}{3}} = \dfrac{\sqrt 2}{\sqrt 3}.$$ $$\operatorname{tg}\varphi = \dfrac{\sin\varphi}{\cos\varphi} = \dfrac{1/\sqrt 3}{\sqrt 2/\sqrt 3} = \dfrac{1}{\sqrt 2} = \dfrac{\sqrt 2}{2}.$$
III
Метод III · «Высота на горизонталь»
тангенс в одну строчку
- Идея. Если плоскость — горизонтальная, а прямая поднимается «вверх и вбок», то тангенс угла с плоскостью — это отношение сколько вверх к сколько вбок.
- «Вверх». Прямая $AC_1$ поднимается на $1$ единицу (на высоту куба).
- «Вбок». Прямая проходит над диагональю $AC$ длиной $\sqrt 2$ (диагональ грани).
- Деление. $$\operatorname{tg}\varphi = \dfrac{1}{\sqrt 2} = \dfrac{\sqrt 2}{2}.$$
Сравнение методов
Стандартный школьный путь. Чёткие шаги: найти проекцию, построить треугольник, посчитать стороны, применить тригонометрию.
Лучший выбор, когда фигура легко помещается в систему координат. Не требует геометрических построений.
Когда направления прямой и плоскости очевидны (вертикаль/горизонталь), ответ выписывается мгновенно.