第九章 直线、平面、简单几何体(B) §9.3 空间向量及其应用
能够画出空间两条直线、直线和平面的各种位置关系的图形;
能够根据图形想象它们的位置关系.
2、掌握直线和平面平行的判定定理和性质定理;
理解直线和平面垂直的概念;
掌握直线和平面垂直的判定定理;
掌握三垂线定理及其逆定理.
3、理解空间向量的概念;
掌握空间向量的加法、减法和数乘.
4、了解空间向量的基本定理;
理解空间向量坐标的概念;
掌握空间向量的坐标运算.
5、掌握空间向量的数量积的定义及其性质;
掌握用直角坐标计算空间向量数量积的公式;
掌握空间两点间的距离公式.
6、理解直线的方向向量、平面的法向量、向量在平面内的射影等概念.
7、掌握直线和直线、直线和平面、平面和平面所成的角、距离的概念;
对于异面直线的距离,只要求会计算已给出公垂线或在坐标表示下的距离;
掌握直线和平面垂直的性质定理;
掌握两个平面平行、垂直的判定定理和性质定理.
8、了解多面体、凸多面体的概念;了解正多面体的概念.
9、了解棱柱的概念;掌握棱柱的性质,会画直棱柱的直观图.
10、了解棱锥的概念;掌握正棱锥的性质,会画正棱锥的直观图.
11、了解球的概念;掌握球的性质;掌握球的表面积、体积公式.
专题结构
2、利用向量求空间角
3、利用向量求空间距离
考点案例 在实践中提高能力,在体验中反思感悟,力求独立,力求提高
1、已知空间三点A(-2,0,2),B(-1,1,2),C(-3,0,4),设a→=AB→,b→=AC→
(1)设|c→|=3,c→//BC→,求c→
(2)求a→和b→的夹角
(3)若ka→+b→与ka→-2b→互相垂直,求k
提示
示范
解:(1)∵c→//BC→,BC→=(-2,-1,2) 设c→=(-2λ,-λ,2λ) |c→|=(-2λ)2+(-λ)2+(2λ)2+=3|λ|=3 ∴λ=±1 ∴c→=(-2,-1,2)或c→=(2,1,-2)
(2)a→=(-1+2,1-0,2-2)=(1,1,0) b→=(-3+2,0-0,4-2)=(-1,0,2) ∴cos<a→,b→>=a→·b→|a→||b→| =(1,1,0)·(-1,0,2)(2×5) =-1010 ∴a→和b→的夹角为π-arccos(1010)
(3)ka→+b→=(k-1,k,2)
ka→-2b→=(k+2,k,-4)
∴(k-1,k,2)·(k+2,k,-4)=(k-1)(k+2)+k2-8=0
解得k=-52或k=2
评注:对于空间向量的平行、垂直与夹角,可联系平面向量进行研究.
2、(06·重庆)如图,在正四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AB=1,BB1=3+1,E为BB1上使B1E=1的点,平面AEC1交DD1于F,交A1D1的延长线于G,求
(1)异面直线AD与C1G所成的角的大小
(2)二面角A-C1G-A1的正切值
解:方法一:(1)由AD//D1G知∠C1GD1为异面直线AD与C1G所成的角
连结C1F,因为AE和C1F分别是平行平面ABB1A1和CC1D1D与平面AEC1G的交线
∴AE//C1F,由此得D1F=BF=3,再由△FD1G~△FDA
∴D1G=3
在Rt△C1D1G中,由C1D1=1得∠C1GD1=π6
(2)作D1H⊥C1G于H,由三垂线定理知FH⊥C1G
∴∠D1HF为二面角F-C1G-D1即二面角A-C1G-A1的平面角
在Rt△HD1G中,由D1G=3,∠HGD1=π6得D1H=32
tan∠HD1G=D1FD1H=332=2
方法二:如图,以A1为坐标原点 ,A1B1、A1D1、A1A所在直线分别为x、y、z轴,建立空间直角坐标系,于是A(0,0,3+1),C1(1,1,0),D(0,1,3+1),E(1,0,1)
(1)∴AD→=(0,1,0),EC1→=(0,1,-1)
∵EC1和AF分别是平行平面BB1C1C和AA1D1D与平面AEC1G的交线
∴EC1//AF
设G(0,y,0),则AG→=(0,y,-3-1)
由EC1//AG得-1y=-1-3-1,于是y=3+1
∴G(0,3+1,0),则C1G→=(-1,3,0)
设异面直线AD与C1G所成的角的大小为θ,则
∴cos<AD→,C1G→>=AD→·C1G→|AD→||C1G→|=32
∴θ=π6
(2)作A1H⊥C1G交GC1的延长线于H,由三垂线定理知AH⊥GH
∴∠AHA1为二面角A-C1G-A1的平面角
设H(a,b,0),则A1H→=(a,b,0),C1H→=(a-1,b-1,0)
由A1H⊥C1G得A1H→·C1G→=0
由此得a-3b=0 ①
又由H、C1、G共线得C1H→//C1G→
从而a-1-1=b-13,于是3a+b-(3+1)=0 ②
联立①和②得a=3+34,b=3+14
∴H(3+34,3+14,0)
由|A1H→|=(3+34)2+(3+14)2=3+12,|A1A→|=3+1
得tan∠AHA1=|A1A→||A1H→|=3+13+12=2
评注:利用向量求空间角,关键在于利用向量表示出空间角,借助向量进行计算.
(1)求异面直线所成的角:设表示两条直线的向量为n1→与n2→,且n1→与n2→之间的夹角为θ.若θ为锐角,则两条异面直线所成的角为θ;若θ为钝角,则两条异面直线所成的角π-θ;
(2)求直线与平面所成的角:求斜线与平面所成角可采用如下方法:设表示斜线的一个向量为n1→,表示平面的一个法向量为n2→,且n1→与n2→之间的夹角为θ.若θ为锐角,则斜线与平面所成的角为π2-θ,若θ为钝角,则两条异面直线所成的角为θ-π2;
(3)求二面角:设n1→是平面α的法向量,n2→是平面β的法向量.
①若两个平面的二面角如图(1)所示的示意图,则n1→与n2→之间的夹角就是欲求的二面角;
②若两个平面的二面角如图(2)所示的示意图,设n1→与n2→之间的夹角为θ,则两个平面的二面角为π-θ.
3、(06·江苏)在正三角形ABC中,E、F、P分别是AB、AC、BC边上的点,满足AE:EB=CF:FA=CP:PB=1:2,将△AEF沿EF折起到△A1EF的位置,使二面角A1-EF-B成直二面角,连结A1B、A1P
(1)求证:A1E⊥平面BEP (2)求直线A1E与平面A1BP所成角的大小 (3)求二面角B-A1P-F的大小(用反三角函数值表示)
解:方法一:(1)不妨设正三角形ABC的边长为3
证明:在图(1)中,取BE的中点D,连结DF
∵AE:EB=CF:FA=1:2
∴AF=AD=2,而∠A=60°
∴△ADF是正三角形
又AE=DE=1
∴EF⊥AD
在图(2)中,A1E⊥EF,BE⊥EF
∴∠A1EB为二面角A1-EF-B的平面角
由题设条件知此二面角为直二面角
∴A1E⊥BE
又BE∩EF=E
∴A1E⊥平面BEF,即A1E⊥平面BEP
(2)在图(2)中,∵A1E不垂直于A1B
∴A1E是平面A1BP的斜线
又A1E⊥平面BEP
∴A1E⊥BP
从而BP垂直于A1E在平面A1BP的射影(三垂线逆定理)
设A1E在平面A1BP的射影为A1Q,且A1Q交BP于点Q,则∠EA1Q就是A1E与平面A1BP所成的角,且BP⊥A1Q
在△EBP中,∵BE=BP=2,∠EBP=60°
∴△EBP是等边三角形
∴BE=EP
∴A1B=A1P
∴Q为BP的中点,且EQ=3
又A1E=1,在Rt△A1EQ中,tan∠EA1Q=EQA1E=3
∴∠EA1Q=60°
∴直线A1E与平面A1BP所成角的大小为60°
(3)在图(3)中,过F作FM⊥A1P于M,连结QM、QF
∵CF=CP=1,∠C=60°
∴△FCP是正三角形,且PF=1
又PQ=12BP=1
∴PF=PQ ①
∵A1E⊥平面BEP,EQ=EF=3
∴A1F⊥A1Q
∴△A1FP≅△A1QP
∴∠A1PF=∠A1PQ ②
由①②及MP为公共边知△FMP≅△QMP
∴∠QMP=∠FMP=90°,且MF=MQ
∴∠FMQ为二面角B-A1P-F的平面角
在Rt△A1QP中,A1Q=A1F=2,FQ=1
∴A1P=5
∵MQ⊥A1P
∴MQ=A1Q·PQA1P=255
∴MF=255
在△FCQ中,FC=1,QC=2,∠C=60°,由余弦定理得QF=3
在△FMQ中,cos∠FMQ=MF2+MQ2-QF22MF·MQ=-78
∴二面角B-A1P-F的大小为π-arccos(78)
方法二:不妨设正三角形ABC的边长为3,
(1)同方法一
(2)如图(1),由方法一知A1E⊥平面BEF,BE⊥EF,建立如图(4)所示的空间直角坐标系O-xyz,则E(0,0,0),A1(0,0,1),B(2,0,0),F(0,3,0)
连结DP,∵AF=BP=2,AE=BD=1,∠A=∠B
∴△FEA≅△PDB,PD=EF=3
由图(1)知PF//DE且PF=DE=1
∴P(1,3,0)
∴A1B→=(2,0,-1),BP→=(-1,3,0)
∴对于平面A1BP内任一非零向量a→,存在不全为零的实数λ、μ
使得a→=λA1B→+μBP→=(2λ-μ,3μ,-λ)
又A1E→=(0,0,-1)
∴cos<A1E→,a→> =A1E→·a→|A1E→|·|a→| =λ5λ2-4λμ+4μ2 ∵直线A1E与平面A1BP所成的角是向量A1E→与平面A1BP内非零向量夹角中最小的角
∴可设λ>0
∴cos<A1E→,a→>=15-4μλ+4(μλ)2
又5-4μλ+4(μλ)2=4(μλ-12)2+4的最小值为4
∴cos<A1E→,a→>的最大值为12
即A1E→与a→夹角中最小的角为60°
(3)如图(4),过F作FM⊥A1P于M,过M作MN⊥A1P交BP于N,则∠FMN为二面角B-A1P-F的平面角
设M(x,y,z),则MF→=(-x,3-y,-z)
∵MF→⊥A1P→
∴MF→·A1P→=0,又A1P→=(1,3,-1)
∴x+3(y-3)-z=0 ①
∵A1、M、P三点共线
∴存在λ∈R,使得A1M→=λA1P→
∵A1M→=(x,y,z-1)
∴(x,y,z-1)=λ(1,3,-1)
从而{x=λy=3λz-1=-λ,代入①得λ=45
∴M(45,435,15),同理可得N(32,32,0)
∴MF→=(-45,35,-15),MN→=(710,-3310,-15)
∵cos<MF→,MN→> =MF→·MN→|MF→|·|MN→| =-710255·255 =-78
评注:1、利用空间向量的坐标运算解决立体几何中的平行、垂直、夹角、距离等问题,关键是建立恰当的空间直角坐标系,难点是正确表达已知点的坐标. 2、在立体几何中,要证明两线垂直,可选取适当的基底,然后确定各向量的坐标,通过向量数量积的坐标运算结果为O来证明,是一个很好的办法. 3、求异面直线所成角的关键是求异面直线上两向量的数量积,而要求两向量的数量积,必须会把所求向量用空间的一组基向量来表示. 4、在空间图形中,如果线段较多,关系也较为复杂(如平行、垂直、角和距离等均有涉及).此时如何入手,是用逻辑推理方法解决,还是用向量方法解决,一般较难作出判断,而且在较为综合的问题中,只用某一种方法,有时也难以奏效,常常需要多种方法合理结合,灵活使用,才能达到理想效果. 图形中如果存在三条两两垂直的线段,则可考虑以它们所在直线为坐标轴建立空间直角坐标系,设法确定点、向量的坐标,然后通过向量的坐标,通过向量坐标运算解决有关问题 .本题中,第(1)问的解决,实际上用传统方法解决也很方便,E点坐标的确定.也需要通过几何推理和计算,解题中应注意逻辑推导和向量运算的有机结合.
4、(05·山东)如图,已知长方体ABCD-A1B1C1D1,AB=2,AA1=1,直线BD与平面AA1B1B所成的角是30°,AE⊥BD于点E,F为A1B1的中点
(1)求异面直线AE与BF所成的角
(2)求平面BDF与平面AA1B所成二面角(锐角)的大小
(3)求点A到平面BDF的距离
解:在长方体ABCD-A1B1C1D1中, 以AB、AD、AA1所在直线分别为x、y、z轴,建立空间直角坐标系,于是A(0,0,0),B(2,0,0),F(1,0,1)
又∵AD⊥平面AA1B1B
∴BD与平面AA1B1B所成的角就是∠DBA=30°
由AB=2,AE⊥BD,AE=1,AD=233,得E(12,32,0),D(0,233,0)
(1)∵AE→=(12,32,0),BF→=(-1,0,1)
∵cos<AE→,BF→> =AE→·BF→|AE→|·|BF→| =-122 =-24 即异面直线AE与BF所成的角为arccos(24)
(2)易知平面AA1B的一个法向量m→=(0,1,0),设n→=(x,y,z)是平面BDF的一个法向量
∵BF→=(-1,0,1),BD→=(-2,233,0)
由{n→⊥BF→n→⊥BD→
⇒{n→·BF→=0n→·BD→=0
⇒{-x+z=02x-233y=0
⇒{x=z3x=y,取n→=(1,3,1)
∵cos<m→,n→>
=m→·n→|m→|·|n→|
=31×5
=155 ∴平面BDF与平面AA1B所成二面角(锐角)的大小是arccos(155)
(3)设点A到平面BDF的距离为d,即ABZ在平面BDF的法向量n→上的投影长
d=||AB→|·cos<AB→,n→>|=||AB→|·AB→·n→|AB→|·|n→||=|AB→·n→||n→|=25=255
∴点A到平面BDF的距离 为255
评注:本题主要考察线线角、面面角、点到平面的距离等基础知识,考察空间想象能力和推理以及利用向量解决问题的能力.
利用向量法求空间距离的具体途径是: (1)欲求两点P、Q之间的距离,可转化为求向量PQ→的模; (2)欲求点P到直线AB的距离,可在AB上取一点Q,令AQ→=λQB→,由PQ→⊥AB→或求|PQ→|的最小值,求得参数λ值,以确定Q的位置,则PQ→的模|PQ→|,即为点P到直线AB的距离; (3)欲求点P到平面α的距离,可设n→为平面α的法向量,Q∈α,则P到平面α的距离d=|PQ→·n→||n→| (4)欲求两条异面直线l1、l2之间的距离,可设与公垂线段AB平行的向量为n→,C、D分别是l1、l2上的任意两点,则l1、l2之间的距离|AB|=|CD→·n→||n→|.
5、已知.
(提示内容)
解:由.
评注:解决此题
一、选择题 1、正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,以D为原点,DA→、DC→、DD1→所在直线为x、y、z轴建立直角坐标系D-xyz,且MN是AB1与BC1的公垂线,M在AB1上,N在BC1上,则MN→等于( ) A.(1,23,23) B.(23,1,23) C.(-13,13,-13) D.(13,-13,13) 2、在空间直角坐标系中,已知A(2,3,1),B(4,1,2),C(6,3,7),D(-5,-4,8),DH⊥平面ABC,垂足为H,直线DH交平面xOy于点M,则点M的坐标是( ) A.(4,7,0) B.(7,4,0) C.(-4,7,0) D.(-7,-4,0) 3、直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠ACB=90°,∠BAC=30°,BC=1,AA1=6,M是CC1的中点,则异面直线AB1与A1M所成的角为( ) A.60° B.45° C.30° D.90° 4、如图,已知空间四边形每条边和对角线长都等于a,点E、F、G分别是AB、AD、DC的中点,则a2是下列哪个向量的数量积( ) A.2BA→•AC→ B.2AD→•BD→ C.2FG→•CA→ D.2EF→•CB→
5、如图,P是二面角α-l-β棱上的一点,分别在α、β平面上引射线PM、PN,如果∠BPM=∠BPN=45°,∠MPN=60°,那么二面角α-AB-β的大小为( )
A.60° B.70° C.80° D.90°
二、填空题 6、如图,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,O为正方形ABCD的中心,E、F分别为AB、BC的中点,则异面直线C1O与EF的距离为______
7、设OA→=(1,1,-2),OB→=(3,2,8),OC→=(0,1,0),则线段AB的中点P到点C的距离为______ 三、解答题 8、(05·福建20)如图,直二面角D-AB-E中,四边形ABCD是边长为2的正方形,AE=EB,F为CE上的点,且BF⊥平面ACE
9、(05·重庆理20)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,AB⊥侧面BB1C1C,E为棱CC1上异于C、C1的一点,EA⊥EB,已知AB=2,BB1=2,BC=1,∠BCC1=π3,求:
10、(探究创新题)如图所示的多面体是由底面为ABCD的长方体被截面AEC1F所截而得到的,其中AB=4,BC=2,CC1=3,BE=1
方法感悟 1、利用空间向量的坐标运算解决立体几何中的平行、垂直、夹角、距离等问题,关键是建立恰当的空间直角坐标系,难点是正确表达已知点的坐标.对空间任意一点A,求其坐标的一般方法如下:过A作z轴的平行线交平面xOy于B,过B分别作x,y轴的平行线,分别交y轴,x轴于C,D,则由OD→,OC→,BA→的长度和方向便可求得点A的坐标.
2、在立体几何中,要证明两线垂直,可选取适当的基底,然后确定各向量的坐标,通过向量数量积的坐标运算结果为O来证明,是一个很好的办法.
3、求异面直线所成角的关键是求异面直线上两向量的数量积,而要求两向量的数量积,必须会把所求向量用空间的一组基向量来表示. 4、在空间图形中,如果线段较多,关系也较为复杂(如平行、垂直、角和距离等均有涉及),此时如何人手,是用传统方法解决,还是用向量方法解决,一般较难作出判断,而且在较为综合的问题中,只用某一种方法,有时也难以奏效,常常需要多种方法灵活使用,合理结合,才能达到理想效果,图形中如果存在三条两两垂直的线段,则可考虑以它们所在直线为坐标轴建立空间直角坐标系,设法确定点、向量的坐标,然后通过向量的坐标,通过向量坐标运算解决有关问题.
返回