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- 2021-06-11 发布
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第三课 空间向量与立体几何
[核心速填]
1.空间向量的有关定理和推论
(1)共线向量定理:对空间任意两个向量a,b(b≠0),a∥b的充要条件是存在实数λ,使得a=λb.
(2)共线向量定理的推论:若,不共线,则P,A,B三点共线的充要条件是=λ+μ,且λ+μ=1.
(3)共面向量定理:如果两个向量a,b不共线,那么向量p与向量a,b共面的充要条件是存在惟一的有序实数对(x,y),使得p=xa+yb.
(4)共面向量定理的推论:已知空间任意一点O和不共线的三点A,B,C,则P,A,B,C四点共面的充要条件是=x+y+z(其中x+y+z=1).
(5)空间向量基本定理:如果三个向量a,b,c不共面,那么对空间任一向量p,存在有序实数组{x,y,z},使得p=xa+yb+zc,其中{a,b,c}叫做空间的一个基底.
2.空间向量运算的坐标表示
设a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3).
(1)a+b=(a1+b1,a2+b2,a3+b3),
a-b=(a1-b1,a2-b2,a3-b3),
λa=(λa1,λa2,λa3),
a·b=a1b1+a2b2+a3b3.
(2)重要结论:
a∥b⇔a=λb⇔a1=λb1,a2=λb2,a3=λb3(λ∈R);
a⊥b⇔a·b=0⇔a1b1+a2b2+a3b3=0.
3.模、夹角和距离公式
(1)设a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3),则
①|a|==;
②cos〈a,b〉==.
(2)设A(a1,b1,c1),B(a2,b2,c2),则
dAB=||=.
4.空间向量的结论与线面位置关系的对应关系
(1)设直线l的方向向量是u=(a1,b1,c1),平面α的法向量v=(a2,b2,c2),
则l∥α⇔u⊥v⇔u·v=0⇔a1a2+b1b2+c1c2=0,l⊥α⇔u∥v⇔u=kv⇔(a1,b1,c1)=
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k(a2,b2,c2)⇔a1=ka2,b1=kb2,c1=kc2(k∈R).
(2)设直线l,m的方向向量分别为a,b,平面α,β的法向量分别为u,v,则
l∥m⇔a∥b⇔a=kb,k∈R;
l⊥m⇔a⊥b⇔a·b=0;
l∥α⇔a⊥u⇔a·u=0;
l⊥α⇔a∥u⇔a=ku,k∈R;
α∥β⇔u∥v⇔u=kv,k∈R;
α⊥β⇔u⊥v⇔u·v=0.
5.空间向量与空间角的关系
(1)设异面直线l1,l2的方向向量分别为m1,m2,则l1与l2的夹角θ满足cos θ=|cos〈m1,m2〉|.
(2)设直线l的方向向量和平面α的法向量分别为m,n,则直线l与平面α的夹角θ满足sin θ=|cos〈m,n〉|.
(3)求二面角的大小:
(ⅰ)如图31①,AB,CD是二面角αlβ的两个半平面α,β内与棱l垂直的直线,则二面角的大小θ=〈,〉.
图31
(ⅱ)如图31②③,n1,n2分别是二面角αlβ的两个半平面α,β的法向量,则二面角的大小θ满足cos θ=cos〈n1,n2〉或-cos〈n1,n2〉.
[体系构建]
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[题型探究]
空间向量的基本概念及运算
如图32,在四棱锥SABCD中,底面ABCD是边长为1的正方形,S到A、B、C、D的距离都等于2.给出以下结论:
图32
①+++=0;
②+--=0;
③-+-=0;
④·=·;
⑤·=0.
其中正确结论的序号是________.
[解析] 容易推出-+-=+=0,所以③正确;又因为底面ABCD是边长为1的正方形,SA=SB=SC=SD=2,所以·=2·2·cos∠ASB,·=2·2·cos∠
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CSD,而∠ASB=∠CSD,于是·=·,因此④正确,其余三个都不正确,故正确结论的序号是③④.
[答案] ③④
[规律方法] 1.空间向量的线性运算包括加、减及数乘运算,选定空间不共面的三个向量作为基向量,并用它们表示出目标向量,这是用向量法解决立体几何问题的基本要求,解题时可结合已知和所求,根据图形,利用向量运算法则表示所需向量.
2.空间向量的数量积
(1)空间向量的数量积的定义表达式a·b=|a|·|b|·cos〈a,b〉及其变式cos〈a,b〉=是两个重要公式.
(2)空间向量的数量积的其他变式是解决立体几何问题的重要公式,如a2=|a|2,a在b上的投影=|a|·cos θ等.
[跟踪训练]
1.如图33,已知ABCDA′B′C′D′是平行六面体.
设M是底面ABCD的中心,N是侧面BCC′B′对角线BC′上的分点,设=α+β+γ,则α+β+γ=________.
图33
[连接BD,则M为BD的中点,
=+=+=(+)+(+)=(-+)+(+)=++.
∴α=,β=,γ=.∴α+β+γ=.]
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空间向量的坐标运算
(1)已知a=(2,3,-4),b=(-4,-3,-2),b=x-2a,则x=( )
A.(0,3,-6) B.(0,6,-20)
C.(0,6,-6) D.(6,6,-6)
(2)已知向量a=(x,1,2),b=(1,y,-2),c=(3,1,z),a∥b,b⊥C.
①求向量a,b,c;
②求a+c与b+c所成角的余弦值.
【导学号:46342183】
[解析] (1)由b=x-2a得x=4a+2b,
又4a+2b=4(2,3,-4)+2(-4,-3,-2)=(0,6,-20),
所以x=(0,6,-20).
[答案] B
(2)①∵向量a=(x,1,2),b=(1,y,-2),c=(3,1,z),且a∥b,b⊥c,
∴,解得
∴向量a=(-1,1,2),b=(1,-1,-2),c=(3,1,1).
②∵a+c=(2,2,3),b+c=(4,0,-1),
∴(a+c)·(b+c)=2×4+2×0+3×(-1)=5,
|a+c|==,|b+c|==,
∴a+c与b+c所成角的余弦值为=.
[规律方法] 熟记空间向量的坐标运算公式
设a=(x1,y1,z1),b=(x2,y2,z2),
(1)加减运算:a±b=(x1±x2,y1±y2,z1±z2).
(2)数量积运算:a·b=x1x2+y1y2+z1z2.
(3)向量夹角:cos〈a,b〉=.
(4)向量长度:设M1(x1,y1,z1),M2(x2,y2,z2),则||=.
提醒:在利用坐标运算公式时注意先对向量式子进行化简再运算.
[跟踪训练]
2.在空间直角坐标系中,已知点A(1,-2,11),B(4,2,3),C(6,-1,4),则△ABC一定是( )
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A.等腰三角形 B.等边三角形
C.直角三角形 D.等腰直角三角形
C [∵=(3,4,-8),=(5,1,-7),=(2,-3,1),∴||==,||==,||==,∴||2+||2=||2,∴△ABC一定为直角三角形.]
利用空间向量证明平行、垂直问题
在四棱锥PABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M为PC的中点.
(1)求证:BM∥平面PAD;
(2)平面PAD内是否存在一点N,使MN⊥平面PBD?若存在,确定N的位置;若不存在,说明理由.
[思路探究] (1)证明向量垂直于平面PAD的一个法向量即可;
(2)假设存在点N,设出其坐标,利用⊥,⊥,列方程求其坐标即可.
[解] 以A为原点,以AB,AD,AP分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系如图所示,则B(1,0,0),D(0,2,0),P(0,0,2),C(2,2,0),M(1,1,1),
(1)证明:∵=(0,1,1),
平面PAD的一个法向量为n=(1,0,0),
∴·n=0,即⊥n,
又BM⊄平面PAD,∴BM∥平面PAD.
(2)=(-1,2,0),=(1,0,-2),
假设平面PAD内存在一点N,使MN⊥平面PBD.
设N(0,y,z),则=(-1,y-1,z-1),
从而MN⊥BD,MN⊥PB,
∴即
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∴∴N,∴在平面PAD内存在一点N,使MN⊥平面PBD.
[规律方法]
利用空间向量证明空间中的位置关系
(1)线线平行:
证明两条直线平行,只需证明两条直线的方向向量是共线向量.
(2)线线垂直:
证明两条直线垂直,只需证明两直线的方向向量垂直.
(3)线面平行:
①证明直线的方向向量与平面的法向量垂直;
②证明可在平面内找到一个向量与直线的方向向量是共线向量;
③利用共面向量定理,即证明直线的方向向量可用平面内两不共线向量线性表示.
(4)线面垂直:
①证明直线的方向向量与平面的法向量平行;
②利用线面垂直的判定定理转化为线线垂直问题.
(5)面面平行:
①证明两个平面的法向量平行(即是共线向量);
②转化为线面平行、线线平行问题.
(6)面面垂直:
①证明两个平面的法向量互相垂直;
②转化为线面垂直、线线垂直问题.
[跟踪训练]
3.如图34,长方体ABCDA1B1C1D1中,点M,N分别在BB1,DD1上,且AM⊥A1B,AN⊥A1D.
图34
(1)求证:A1C⊥平面AMN.
(2)当AB=2,AD=2,A1A=3时,问在线段AA1上是否存在一点P使得C1P∥平面AMN,若存在,试确定P的位置.
【导学号:46342184】
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[解] (1)证明:因为CB⊥平面AA1B1B,AM⊂平面AA1B1B,
所以CB⊥AM,又因为AM⊥A1B,A1B∩CB=B,
所以AM⊥平面A1BC,
所以A1C⊥AM,
同理可证A1C⊥AN,
又AM∩AN=A,
所以A1C⊥平面AMN.
(2)以C为原点,CD所在直线为x轴,CB所在直线为y轴,CC1所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,
因为AB=2,AD=2,A1A=3,
所以C(0,0,0),A1(2,2,3),C1(0,0,3),=(2,2,3),
由(1)知CA1⊥平面AMN,
故平面AMN的一个法向量为=(2,2,3).
设线段AA1上存在一点P(2,2,t),使得C1P∥平面AMN,则=(2,2,t-3),
因为C1P∥平面AMN,
所以·=4+4+3t-9=0,
解得t=.所以P,
所以线段AA1上存在一点P,使得C1P∥平面AMN.
利用空间向量求空间角
如图35,在等腰直角三角形ABC中,∠A=90°,BC=6,D,E分别是AC,AB上的点,CD=BE=,O为BC的中点.将△ADE沿DE折起,得到如图(2)所示的四棱锥A′BCDE,其中A′O=.
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(1) (2)
图35
(1)证明:A′O⊥平面BCDE;
(2)求二面角A′CDB的平面角的余弦值.
[思路探究] (1)利用勾股定理可证A′O⊥OD,A′O⊥OE,从而证得A′O⊥平面BCDE;(2)用“三垂线”法作二面角的平面角后求解或用向量法求两个平面的法向量的夹角.
[解] (1)证明:由题意,得OC=3,AC=3,AD=2.
如图,连接OD,OE,在△OCD中,由余弦定理,得
OD==.
由翻折不变性,知A′D=2,
所以A′O2+OD2=A′D2,所以A′O⊥OD.
同理可证A′O⊥OE.
又因为OD∩OE=O,所以A′O⊥平面BCDE.
(2)如图,过点O作OH⊥CD交CD的延长线于点H,连接A′H.
因为A′O⊥平面BCDE,OH⊥CD,
所以A′H⊥CD.
所以∠A′HO为二面角A′CDB的平面角.
结合图(1)可知,H为AC的中点,故OH=,
从而A′H==.
所以cos∠A′HO==.
所以二面角A′CDB的平面角的余弦值为.
[规律方法] 用向量法求空间角的注意点
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(1)异面直线所成角:两异面直线所成角的范围为0°<θ≤90°,需找到两异面直线的方向向量,借助方向向量所成角求解.
(2)直线与平面所成的角:要求直线a与平面α所成的角θ,先求这个平面α的法向量n与直线a的方向向量a夹角的余弦cos〈n,a〉,易知θ=〈n,a〉-或者-〈n,a〉.
(3)二面角:如图36,有两个平面α与β,分别作这两个平面的法向量n1与n2,则平面α与β所成的角跟法向量n1与n2所成的角相等或互补,所以首先应判断二面角是锐角还是钝角.
图36
[跟踪训练]
4.在如图37所示的圆台中,AC是下底面圆O的直径,EF是上底面圆O′的直径,FB是圆台的一条母线.
图37
(1)已知G,H分别为EC,FB的中点,求证:GH∥平面ABC.
(2)已知EF=FB=AC=2,AB=BC,求二面角FBCA的余弦值.
【导学号:46342185】
[解] (1)证明:设CF的中点为I,连接GI,HI.
在△CEF中,因为点G,I分别是CE,CF的中点,
所以GI∥EF.
又EF∥OB,所以GI∥OB.
在△CFB中,因为H,I分别是FB,CF的中点,
所以HI∥BC.
又HI∩GI=I,BC∩OB=B,
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所以平面GHI∥平面ABC.
因为GH⊂平面GHI,
所以GH∥平面ABC.
(2)连接OO′,则OO′⊥平面ABC.
又AB=BC,且AC是圆O的直径,
所以BO⊥AC.
以O为坐标原点,建立如图所示的空间直角坐标系.
由题意得B(0,2,0),C(-2,0,0).
过点F作FM⊥OB于点M,
所以FM==3,
可得F(0,,3).
故=(-2,-2,0),=(0,-,3).
设m=(x,y,z)是平面BCF的法向量.
由
可得
可得平面BCF的一个法向量m=.
因为平面ABC的一个法向量n=(0,0,1),
所以cos〈m,n〉==,
所以二面角FBCA的余弦值为.
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