陕西省西安市第六十六中学高三数学 立体几何中的向量方法复习课件.ppt

8 7立体几何中的向量方法要点梳理1 直线的方向向量与平面的法向量的确定 1 直线的方向向量 在直线上任取一向量作为它的方向向量 2 平面的法向量可利用方程组求出 设a b是平面 内两不共线向量 n为平面 的法向量 则求法向量的方程组为 非零 基础知识自主学习 2 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所成的角 满足 2 设直线l的方向向量和平面 的法向量分别为m n 则直线l与平面 所成角 满足 3 求二面角的大小 如图 ab cd是二面角 l 的两个面内与棱l垂直的直线 则二面角的大小 cos cos m1 m2 sin cos m n 如图 n1 n2分别是二面角 l 的两个半平面 的法向量 则二面角的大小 满足cos cos n1 n2 或 cos n1 n2 3 点面距的求法如图 设ab为平面 的一条斜线段 n为平面 的法向量 则b到平面 的距离d 基础自测1 若直线l1 l2的方向向量分别为a 2 4 4 b 6 9 6 则 a l1 l2b l1 l2c l1与l2相交但不垂直d 以上均不正确解析 a b 12 36 24 0 a b l1 l2 b 2 已知平面 内有一个点m 1 1 2 平面 的一个法向量是n 6 3 6 则下列点p中在平面 内的是 a p 2 3 3 b p 2 0 1 c p 4 4 0 d p 3 3 4 解析 n 6 3 6 是平面 的法向量 n 在选项a中 1 4 1 n 0 a 3 已知两平面的法向量分别为m 0 1 0 n 0 1 1 则两平面所成的二面角为 a 45 b 135 c 45 或135 d 90 解析即 m n 45 其补角为135 两平面所成二面角为45 或135 c 4 如图所示 在空间直角坐标系中 有一棱长为a的正方体abco a b c d a c的中点e与ab的中点f的距离为 a b c ad 解析由图易知a a 0 0 b a a 0 c 0 a 0 a a 0 a b 5 已知a 1 1 1 b 0 2 1 c ma nb 4 4 1 若c与a及b都垂直 则m n的值分别为 a 1 2b 1 2c 1 2d 1 2解析由已知得c m 4 m 2n 4 m n 1 故a c 3m n 1 0 b c m 5n 9 0 a 题型一利用空间向量证明平行与垂直如图所示 在四棱锥p abcd中 pa 底面abcd ab ad ac cd abc 60 pa ab bc e是pc的中点 证明 1 ae cd 2 pd 平面abe 题型分类深度剖析 1 建立空间直角坐标系 确定的坐标 计算 ae cd 2 求面abe的法向量n 判断满足 kn k r 平面abe 或 确定坐标 计算 pd aepd ab pd 平面abe 证明ab ad ap两两垂直 建立如图所示的空间直角坐标系 设pa ab bc 1 则p 0 0 1 1 abc 60 abc为正三角形 2 方法一 方法二 证明线面平行和垂直问题 可以用几何法 也可以用向量法 用向量法的关键在于构造向量 再用共线向量定理或共面向量定理及两向量垂直的判定定理 若能建立空间直角坐标系 其证法较为灵活方便 知能迁移1如图所示 平面pad 平面abcd abcd为正方形 pad是直角三角形 且pa ad 2 e f g分别是线段pa pd cd的中点 求证 pb 平面efg 证明 平面pad 平面abcd且abcd为正方形 ab ap ad两两垂直 以a为坐标原点 建立如图所示的空间直角坐标系a xyz 则a 0 0 0 b 2 0 0 c 2 2 0 d 0 2 0 p 0 0 2 e 0 0 1 f 0 1 1 g 1 2 0 即 2 0 2 s 0 1 0 t 1 1 1 题型二利用向量求空间角 2008 海南理 18 如图所示 已知点p在正方体abcd a b c d 的对角线bd 上 pda 60 1 求dp与cc 所成角的大小 2 求dp与平面aa d d所成角的大小 建立空间直角坐标系 利用空间向量方法求解 解如图所示 以d为原点 da为单位长度建立空间直角坐标系d xyz 则 1 0 0 0 0 1 连接bd b d 在平面bb d d中 延长dp交b d 于h 设 m m 1 m 0 由已知 60 1 异面直线的夹角与向量的夹角有所不同 应注意思考它们的区别与联系 2 直线与平面的夹角可以转化成直线的方向向量与平面的法向量的夹角 由于向量方向的变化 所以要注意它们的区别与联系 知能迁移2 2009 天津理 19 如图 在五面体abcdef中 fa 平面abcd ad bc fe ab ad m为ec的中点 af ab bc fe 1 求异面直线bf与de所成的角的大小 2 证明平面amd 平面cde 3 求二面角a cd e的余弦值 1 解如图所示 建立空间直角坐标系 点a为坐标原点 设ab 1 依题意得b 1 0 0 c 1 1 0 d 0 2 0 e 0 1 1 f 0 0 1 所以异面直线bf与de所成的角的大小为60 2 证明 又am ad a 故ce 平面amd 而ce 平面cde 所以平面amd 平面cde 3 解设平面cde的法向量为u x y z 令x 1 可得u 1 1 1 又由题设 平面acd的一个法向量v 0 0 1 因为二面角a cd e为锐角 所以其余弦值为 题型三利用向量求空间距离 12分 在三棱锥s abc中 abc是边长为4的正三角形 平面sac 平面abc sa sc m n分别为ab sb的中点 如图所示 求点b到平面cmn的距离 由平面sac 平面abc sa sc ba bc 可知本题可以取ac中点o为坐标原点 分别以oa ob os所在直线为x轴 y轴 z轴建立空间直角坐标系 用向量法求解 解取ac的中点o 连接os ob sa sc ab bc ac so ac bo 平面sac 平面abc 平面sac 平面abc ac so 平面abc so bo 4分如图所示 建立空间直角坐标系o xyz 则b 0 2 0 c 2 0 0 s 0 0 2 m 1 0 n 0 6分 设n x y z 为平面cmn的一个法向量 点到平面的距离 利用向量法求解比较简单 它的理论基础仍出于几何法 如本题 事实上 作bh 平面cmn于h 8分 10分 12分 知能迁移3如图所示 已知两个正四棱锥p abcd与q abcd的高分别为1 2 ab 4 1 证明pq 面abcd 2 求异面直线aq与pb所成角的余弦值 3 求点p到面qad的距离 1 证明如图 连结ac bd 设ac bd o p abcd与q abcd都是正四棱锥 po 面abcd qo 面abcd 从而p o q三点在一条直线上 pq 面abcd 2 解由题设知 abcd是正方形 ac bd 由 1 知 pq 面abcd 故可分别以ca db qp为x y z轴建立空间直角坐标系 由条件得p 0 0 1 a 2 0 0 q 0 0 2 b 0 2 0 3 解由 2 得d 0 2 0 0 0 3 设n x y z 是面qad的一个法向量 方法与技巧1 用向量知识证明立体几何问题有两种基本思路 一种是用向量表示几何量 利用向量的运算进行判断 另一种是用向量的坐标表示几何量 共分三步 1 建立立体图形与空间向量的联系 用空间向量 或坐标 表示问题中所涉及的点 线 面 把立体几何问题转化为向量问题 2 通过向量运算 研究点 线 面之间的位置关系 3 根据运算结果的几何意义来解释相关问题 思想方法感悟提高 2 若利用向量求角 各类角都可以转化为向量的夹角来运算 1 求两异面直线a b的夹角 须求出它们的方向向量a b的夹角 则cos cos a b 2 求直线l与平面 所成的角 可先求出平面 的法向量n与直线l的方向向量a的夹角 则sin cos n a 3 求二面角 l 的大小 可先求出两个平面的法向量n1 n2所成的角 则 n1 n2 或 n1 n2 3 求点到平面的距离 若用向量知识 则离不开以该点为端点的平面的斜线段 失误与防范1 用向量知识证明立体几何问题 仍然离不开立体几何中的定理 如要证明线面平行 只需要证明平面外的一条直线和平面内的一条直线平行 即化归为证明线线平行 用向量方法证直线a b 只需证明向量a b r 即可 若用直线的方向向量与平面的法向量垂直来证明线面平行 仍需强调直线在平面外 2 利用向量求角 一定要注意将向量夹角转化为各空间角 因为向量夹角与各空间角的定义 范围不同 一 选择题1 已知 1 5 2 3 1 z 若 x 1 y 3 且bp 平面abc 则实数x y z分别为 a b c d 定时检测 解析即3 5 2z 0 得z 4 又bp 平面abc bp ab bp bc 3 1 4 则 答案b 2 长方体abcd a1b1c1d1中 ab aa1 2 ad 1 e为cc1的中点 则异面直线bc1与ae所成角的余弦值为 a b c d 解析建立坐标系如图 则a 1 0 0 e 0 2 1 b 1 2 0 c1 0 2 2 b 3 在正方体abcd a1b1c1d1中 m是ab的中点 则的值等于 a b c d 解析以d为原点 da dc dd1分别为x轴 y轴 z轴建立空间直角坐标系 设正方体棱长为1 易知 b 4 设正方体abcd a1b1c1d1的棱长为2 则点d1到平面a1bd的距离是 a b c d 解析如图建立空间直角坐标系 则d1 0 0 2 a1 2 0 2 d 0 0 0 b 2 2 0 2 0 0 2 0 2 2 2 0 设平面a1bd的法向量n x y z 令x 1 则n 1 1 1 点d1到平面a1bd的距离 答案d 5 p是二面角 ab 棱上的一点 分别在 平面上引射线pm pn 如果 bpm bpn 45 mpn 60 那么二面角 ab 的大小为 a 60 b 70 c 80 d 90 解析不妨设pm a pn b 如图 作me ab于e nf ab于f epm fpn 45 答案d 6 如图所示 在长方体abcd a1b1c1d1中 已知b1c c1d与上底面a1b1c1d1所成的角分别为60 和45 则异面直线b1c和c1d所成的余弦值为 d 二 填空题7 设平面 与向量a 1 2 4 垂直 平面 与向量b 2 3 1 垂直 则平面 与 的位置关系是 解析由已知a b分别是平面 的法向量 a b 2 6 4 0 a b 垂直 8 正四棱锥s abcd中 o为顶点在底面上的射影 p为侧棱sd的中点 且so od 则直线bc与平面pac所成的角是 解析如图所示 以o为原点建立空间直角坐标系o xyz 设od so oa ob oc a 则a a 0 0 b 0 a 0 c a 0 0 设平面pac的法向量为n 可求得n 0 1 1 直线bc与平面pac所成的角为90 60 30 答案30 9 如图所示 pd垂直于正方形abcd所在平面 ab 2 e为pb的中点 若以da dc dp所在直线分别为x y z轴建立空间直角坐标系 则点e的坐标为 解析设pd a 则a 2 0 0 b 2 2 0 p 0 0 a e的坐标为 1 1 1 1 1 1 三 解答题10 如图所示 已知正方形abcd和矩形acef所在的平面互相垂直 ab af 1 m是线段ef的中点 求证 1 am 平面bde 2 am 平面bdf 证明 1 建立如图所示的空间直角坐标系 设ac bd n 连接ne 则点n e的坐标分别为 m 11 如图所示 边长为2的等边 pcd所在的平面垂直于矩形abcd所在的平面 bc 2 m为bc的中点 1 证明 am pm 2 求二面角p am d的大小 3 求点d到平面amp的距离 1 证明以d点为原点 分别以直线da dc为x轴 y轴 建立如图所示的空间直角坐标系d xyz 依题意 可得d 0 0 0 p 0 1 c 0 2 0 a 2 0 0 m 2 0 2 0 0 1 1 2 0 2 0 0 2 0 1 2 0 0 即 am pm 2 解设n x y z 且n 平面pam 则 取p 0 0 1 显然p 平面abcd 结合图形可知 二面角p am d为45 3 解设点d到平面pam的距离为d 12 如图所示 在棱长为2的正方体abcd a1b1c1d1中 e f分别为a1d1和cc1的中点 1 求证