人教B版选修21 第三章 §3.2　空间向量在立体几何中的应用 学案.doc

3.2空间向量在立体几何中的应用3.2.1直线的方向向量与直线的向量方程学习目标1.了解直线的方向向量，了解直线的向量方程.2.会用向量方法证明线线、线面、面面的平行.3.会用向量证明两条直线垂直.4.会利用向量求两条直线所成的角知识点一用向量表示直线或点在直线上的位置思考在平面中，可以用向量确定平面上一点的位置或点的集合空间中一点的位置或点的集合怎样确定？答案已知向量a，在空间中固定一个基点o，再作向量a，则点a在空间中的位置就被向量a唯一确定了，称向量a为位置向量梳理用向量表示直线或点在直线上的位置(1)在直线l上给定一个定点a和它的一个方向向量a，对于直线l上的任意一点p，则有ta或ta或(1t)t(a)，上面三个向量等式都叫做空间直线的向量参数方程向量a称为该直线的方向向量(2)线段ab的中点m的向量表达式()知识点二用向量方法证明直线与直线平行、直线与平面平行、平面与平面平行1设直线l1和l2的方向向量分别为v1和v2，则由向量共线的条件，得l1l2或l1与l2重合v1v2.2已知两个不共线向量v1，v2与平面共面，一条直线l的一个方向向量为v，则由共面向量定理，可得l或l在内存在两个实数x，y，使vxv1yv2.3已知两个不共线向量v1，v2与平面共面，则由两平面平行的判定与性质，得或与重合v1且v2.知识点三用向量运算证明两条直线垂直或求两条直线所成的角1用向量运算证明两条直线垂直或求两条直线所成的角设两条直线所成的角为，1和2分别是l1和l2的方向向量，则l1l2v1v2，cos|cosv1，v2|.2求两直线所成的角应注意的问题在已知的两条直线上(或同方向上)取两条直线的方向向量v1，v2，所以cosv1，v2.但要注意，两直线的夹角与v1，v2并不完全相同，当v1，v2为钝角时，应取其补角作为两直线的夹角1直线l的方向向量是唯一的()2若两条直线平行，则它们的方向向量的方向相同或相反()3若向量a是直线l的一个方向向量，则向量ka也是直线l的一个方向向量()类型一空间中点的位置确定例1已知点a(2,4,0)，b(1,3,3)，如图，以的方向为正向，在直线ab上建立一条数轴，p，q为轴上的两点，且分别满足条件：(1)appb12；(2)aqqb2.求点p和点q的坐标解(1)由已知，得2，即2()，.设点p坐标为(x，y，z)，则上式换用坐标表示，得(x，y，z)(2,4,0)(1,3,3)，即x，y，z011.因此，p点的坐标是.(2)因为aqqb2，所以2，2()，2，设点q的坐标为(x，y，z)，则上式换用坐标表示，得(x，y，z)(2,4,0)2(1,3,3)(0,2,6)，即x0，y2，z6.因此，q点的坐标是(0,2,6)反思与感悟确定点的坐标可利用向量运算根据两个向量相等列方程解得跟踪训练1已知点a(4,1,3)，b(2，5,1)，c为线段ab上一点且，则点c的坐标为()a.b.c.d.答案c解析设c(x，y，z)，c为线段ab上一点且，即(x4，y1，z3)(2，6，2)，x，y1，z.类型二向量方法处理平行问题例2如图，已知正方体abcdabcd，点m，n分别是面对角线ab与面对角线ac的中点求证：mn侧面ad；mnad，并且mnad.证明设a，b，c，则(ac)，c(ab)，所以(bc)因为m不在平面ad内，所以mn平面ad.又因为bc，所以，所以mnad，mnad.反思与感悟(1)直线与直线平行、直线与平面平行的向量证法根据是空间向量共线、共面定理(2)利用直线的方向向量证明直线与直线平行、直线与平面平行时，要注意向量所在的直线与所证直线或平面无公共点跟踪训练2(1)在长方体abcda1b1c1d1中，ab3，ad4，aa12.点m在棱bb1上，且bm2mb1，点s在dd1上，且sd12sd，点n，r分别为a1d1，bc的中点，求证：mnrs.证明方法一设a，b，c，则cab，bac，又rmn，mnrs.方法二如图所示，建立空间直角坐标系axyz，则根据题意得m，n(0,2,2)，r(3,2,0)，s.，mrs，mnrs.(2)如图，已知正方形abcd和矩形acef所在的平面互相垂直，ab，af1，m是线段ef的中点求证：am平面bde.证明平面abcd平面acef，平面abcd平面acefac，ecac，ec平面acef，ec平面abcd，ecbc且eccd，点c的坐标为.建立如图所示的空间直角坐标系cxyz.设acbdn，连接ne，则点n，e的坐标分别是，(0,0,1).又点a，m的坐标分别是(，0)，.，且ane，neam.又ne平面bde，am平面bde，am平面bde.类型三两直线所成的角的求解例3已知三棱锥oabc(如图)，oa4，ob5，oc3，aobboc60，coa90，m，n分别是棱oa，bc的中点求直线mn与ac所成角的余弦值解设a，b，c，直线mn与ac所成的角为，则(bc)a(bca)，ca，所以|2(bca)2(|a|2|b|2|c|22bc2ab2ac)(42523215200)，|2(ca)2|a|2|c|22ac42320225，(bca)(ca)(bc|c|2ab2ac|a|2).cos|cos，|.所以直线mn与ac所成角的余弦值为.反思与感悟向量所成角与异面直线所成角的差异：向量所成角的范围是0，而异面直线所成角的范围是，故异面直线所成角的余弦值一定大于或等于0.跟踪训练3长方体abcda1b1c1d1中，ab4，bcbb12，e，f分别是平面a1b1c1d1与平面b1bcc1的中心，求异面直线af与be所成角的余弦值解如图，以d为原点建立空间直角坐标系dxyz，则a(2,0,0)，b(2,4,0)，c1(0,4,2)，a1(2,0,2)，e(1,2,2)，f(1,4,1)，(1,4,1)，(1，2,2)，|3，|3，1825，cos，.异面直线所成角的范围是，设af与be所成角为，则cos|cos，|.即异面直线af与be所成角的余弦值为.1若直线l1，l2的方向向量分别为a(1,2，2)，b(2,3,2)，则()al1l2bl1l2cl1、l2相交但不垂直d不能确定答案b解析ab1(2)23(2)20，ab，l1l2.2设l1的方向向量a(1,3，2)，l2的方向向量b(4,3，m)，若l1l2，则m等于()a1b.c.d3答案b解析因为l1l2，所以ab0，即1(4)33(2)m0，所以2m945，即m.3若a(1,0,1)，b(1,4,7)在直线l上，则直线l的一个方向向量为()a(1,2,3) b(1,3,2)c(2,1,3) d(3,2,1)答案a解析(2,4,6)，而与共线的非零向量都可以作为直线l的方向向量，故选a.4已知向量a(42m，m1，m1)，b(4,22m,22m)，若ab，则实数m的值为()a1b3c1或3d以上答案都不正确答案c解析因为b(4,22m,22m)0，所以“ab的充要条件是ab”，得显然m1符合题意，当m1时，由m1(22m)，得，代入42m4，得m3.5已知直线l1的一个方向向量为(7,3,4)，直线l2的一个方向向量为(x，y,8)，且l1l2，则x_，y_.答案146解析l1l2，(x0，y0)，x14，y6.1利用向量可以表示直线或点在直线上的位置2线线平行、线面平行、面面平行问题都可以转化为两个向量的平行问题，证明依据是空间向量共线、共面定理3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)建立立体几何与空间向量的联系，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一、选择题1已知a(2,4,5)，b(3，x，y)分别是直线l1，l2的方向向量若l1l2，则()ax6，y15bx3，ycx3，y15dx6，y答案d解析由l1l2得，(x0，y0)，解得x6，y.2若异面直线l1，l2的方向向量分别是a(0，2，1)，b(2,0,4)，则异面直线l1与l2的夹角的余弦值等于()ab.cd.答案b解析设l1与l2的夹角为，则cos|cosa，b|.3在正三棱柱abca1b1c1中，若abbb1，则ab1与c1b所成角的大小为()a60b90c105d75答案b解析建立如图所示的空间直角坐标系a1xyz，设bb11，则a(0,0,1)，b1，c1(0，0)，b.，10，即ab1与c1b所成角的大小为90.4已知a(3,0，1)，b(0，2，6)，c(2,4，2)，则abc是()a等边三角形b等腰三角形c直角三角形d以上都不对答案c解析(3，2，5)，(2,6,4)，(1,4，1)3(1)(2)4(5)(1)0，abac.abc是直角三角形又|，故选c.5已知点a(3,3，5)，b(2，3,1)，c为线段ab上一点，且，则点c的坐标为()a.b.c.d.答案c解析设c点坐标为(x，y，z)，则(x3，y3，z5)，(1，6,6)由，得解得x，y1，z1.即c点坐标为.6从点a(2，1,7)沿向量a(8,9，12)的方向取线段长ab34，则b点的坐标为()a(9，7,7) b(18,17，17)c(9,7，7) d(14，19,31)答案b解析设b(x，y，z)，则(x2，y1，z7)(8,9，12)，0.故x28，y19，z712，又(x2)2(y1)2(z7)2342，得(17)2342，0，2.x18，y17，z17，即b(18,17，17)7在正方体abcda1b1c1d1中，若e为a1c1的中点，则直线ce垂直于()aacbbdca1dda1a答案b解析建立如图所示的空间直角坐标系dxyz.设正方体的棱长为1.则a(1,0,0)，b(1,1,0)，c(0,1,0)，d(0,0,0)，a1(1,0,1)，c1(0,1,1)，e，(1,1,0)，(1，1,0)，(1,0，1)，(0,0，1)(1)(1)010，cebd.8.如图，在平行六面体abcda1b1c1d1中，m，p，q分别为棱ab，cd，bc的中点，若平行六面体的各棱长均相等，则a1md1p；a1mb1q；a1m平面dcc1d1；a1m平面d1pqb1.以上结论中正确的是()abcd答案a解析，a1md1p.d1p平面d1pqb1，a1m平面d1pqb1，a1m平面d1pqb1.又d1p平面dcc1d1，a1m平面dcc1d1，a1m平面dcc1d1.b1q为平面dcc1d1的斜线，b1q与d1p不平行，a1m与b1q不平行二、填空题9设点c(2a1，a1,2)在点p(2,0,0)，a(1，3,2)，b(8，1，4)确定的平面上，则a_.答案16解析(1，3,2)，(6，1,4)根据共面向量定理，设xy (x，yr)，则(2a1，a1,2)x(1，3,2)y(6，1,4)(x6y，3xy,2x4y)，解得x7，y4，a16.10已知空间三点a(0,0,1)，b(1,1,1)，c(1,2，3)，若直线ab上一点m，满足cmab，则点m的坐标为_答案解析设m(x，y，z)，则由已知，得(1,1,0)(，0)又(x，y，z1)，x，y，z1.又0，(1，2,4)，(1，2,4)(1,1,0)0，(1)(2)0，.m点坐标为.11已知两点a(1，2,3)，b(2,1，1)，则ab连线与xoz平面的交点坐标是_答案解析设交点坐标为p(x,0，z)，则由a，p，b三点共线可设，得(x1,2，z3)(1,3，4)，即解得故ab连线与xoz平面的交点坐标是.三、解答题12.如图，在四棱锥sabcd中，底面abcd为正方形，侧棱sd底面abcd，e，f分别为ab，sc的中点证明：ef平面sad.证明如图所示，以d为原点建立空间直角坐标系dxyz.设a(a,0,0)，s(0,0，b)，则b(a，a,0)，c(0，a,0)，e，f.所以.取sd的中点g，连接ag，则.因为，所以efag，又ag平面sad，ef平面sad，所以ef平面sad.13.如图，在长方体abcda1b1c1d1中，adaa11，ab2，点e是棱ab上的动点若异面直线ad1与ec所成角为60，试确定此时动点e的位置解以da所在直线为x轴，以dc所在直线为y轴，以dd1所在直线为z轴，建立空间直角坐标系，如图所示设e(1，t,0)(0t2)，则a(1,0,0)，d(0,0,0)，d1(0,0,1)，c(0,2,0)，(1,0，1)，(1，t2,0)，根据数量积的定义及已知得：10(t2)0cos60，所以t1，所以点e的位置是ab的中点四、探究与拓展14已知点a，b，c的坐标分别为(0,1,0)，(1,0,1)，(2,1,1)，点p的坐标为(x,0，z)，若，则点p的坐标为_答案解析因为(1，1,1)，(2,0,1)，(x,1，z)，由0，0，得得x