高中数学第三章空间向量与立体几何3.2立体几何中的向量方法2学案含解析.docx

第二课时空间向量与空间角、距离提出问题山体滑坡是一种常见的自然灾害甲、乙两名科技人员为了测量一个山体的倾斜程度，甲站在水平地面上的A处，乙站在山坡斜面上的B处，A，B两点到直线l(水平地面与山坡的交线)的距离AC和BD分别为30 m和40 m，CD的长为60 m，AB的长为80 m.问题1：如何用向量方法求异面直线AC和BD所成的角？提示：设异面直线AC与BD所成角为，则cos |cos，|.问题2：如何求斜线BD与地面所成角？提示：设地面的法向量为n，则sin |cos，n|.问题3：如何求水平地面与斜坡面所成二面角？提示：cos cos，导入新知1空间角及向量求法角的分类向量求法范围异面直线所成的角设两异面直线所成的角为，它们的方向向量为a，b，则cos |cosa，b|直线与平面所成的角设直线l与平面所成的角为，l的方向向量为a，平面的法向量为n，则sin |cosa，n|二面角设二面角l的平面角为，平面，的法向量为n1，n2，则|cos |cosn1，n2|0，2空间距离的向量求法分类向量求法两点距设A，B为空间中任意两点，则d|AB|点面距设平面的法向量为n，B，A，则B点到平面的距离d化解疑难1若直线l(方向向量为a)与平面(法向量为n)所成的角为，则当a，n0，时，a，n；当a，n，时，a，n.2将二面角转化为两个平面的法向量的夹角求解时，应注意判断二面角是锐角还是钝角3点到平面的距离的实质，就是平面的单位法向量与从该点出发的平面的斜线段向量数量积的绝对值求两异面直线所成的角例1如图所示，在三棱柱ABCA1B1C1中，若AA1底面ABC，ABBCAA1，ABC90，点E，F分别是棱AB，BB1的中点，则直线EF和BC1的夹角是()A45B60C90 D120解析不妨设ABBCAA11，则()，|BA|，|，(BA)()，cos，60.即异面直线EF与BC1的夹角是60.答案B 类题通法利用空间向量求两条异面直线所成的角，可以避免复杂的几何作图和论证过程，只需通过相应的向量运算即可，但应注意：用向量法求两条异面直线所成的角是通过两条直线的方向向量的夹角来求解的，而两条异面直线所成角的取值范围是0，两向量的夹角的取值范围是0，所以cos |cos |.活学活用正方体ABCDA1B1C1D1中，E，F分别是A1D1，A1C1的中点，求异面直线AE与CF所成角的余弦值解：不妨设正方体棱长为2，分别取DA，DC，DD1所在直线为x轴、y轴、z轴，建立如图所示空间直角坐标系，则A(2,0,0)，C(0,2,0)，E(1,0,2)，F(1，1,2)，则(1,0,2)，(1，1,2)，|，|.1043.cos，异面直线AE与CF所成角的余弦值为.求直线与平面所成的角例2如图，在四棱锥PABCD中，底面为直角梯形，ADBC，BAD90，PA底面ABCD，且PAADAB2BC，M，N分别为PC，PB的中点(1)求证：PBDM；(2)求BD与平面 ADMN所成的角解如图，以点A为坐标原点建立空间直角坐标系，设BC1，则A(0,0,0)，P(0,0,2)，B(2,0,0)，D(0,2,0)，C(2,1,0)，M(1，1)，(2,0，2)，(0,2,0)，(2，2,0)(1)证明：(2,0，2)0，PBDM.(2)(2,0，2)(0,2,0)0，PBAD.又PBDM，PB平面ADMN.即为平面ADMN的一个法向量因此，的余角即是BD与平面ADMN所成的角cos，BD和平面ADMN所成的角为.类题通法求直线与平面的夹角的方法与步骤思路一：找直线在平面内的射影，充分利用面与面垂直的性质及解三角形知识可求得夹角(或夹角的某一三角函数值)思路二：用向量法求直线与平面的夹角可利用向量夹角公式或法向量利用法向量求直线与平面的夹角的基本步骤：(1)建立空间直角坐标系；(2)求直线的方向向量；(3)求平面的法向量n；(4)计算：设线面角为，则sin .活学活用(全国丙卷)如图，四棱锥PABCD中，PA底面ABCD，ADBC，ABADAC3，PABC4，M为线段AD上一点，AM2MD，N为PC的中点(1)证明MN平面PAB；(2)求直线AN与平面PMN所成角的正弦值解：(1)证明：由已知得AMAD2.取BP的中点T，连接AT，TN，由N为PC的中点知TNBC，TNBC2.又ADBC，故TN綊AM，所以四边形AMNT为平行四边形，于是MNAT.因为MN平面PAB，AT平面PAB，所以MN平面PAB.(2)取BC的中点E，连接AE.由ABAC得AEBC，从而AEAD，且AE .以A为坐标原点，的方向为x轴正方向，建立如图所示的空间直角坐标系Axyz.由题意知P(0,0,4)，M(0,2,0)，C(，2,0)，N，(0,2，4)，.设n(x，y，z)为平面PMN的法向量，则即可取n(0,2,1)于是|cosn，|.所以直线AN与平面PMN所成角的正弦值为.求二面角例3如图，直三棱柱ABCA1B1C1中，ACBCAA1，D是棱AA1的中点，DC1BD.(1)证明：DC1BC；(2)求二面角A1BDC1的大小解(1)证明：由题设知，三棱柱的侧面为矩形由于D为AA1的中点，故DCDC1.又因为ACAA1，可得DCDC2CC，所以DC1DC.而DC1BD，DCBDD，所以DC1平面BCD.BC平面BCD，故DC1BC.(2)由(1)知BCDC1，且BCCC1，则BC平面ACC1，所以CA，CB，CC1两两相互垂直以C为坐标原点，的方向为x轴的正方向，|为单位长，建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz.由题意知A1(1,0,2)，B(0,1,0)，D(1,0,1)，C1(0,0,2)，则(0,0，1)，(1，1,1)，(1,0,1)设n(x，y，z)是平面A1B1BD的法向量，则即可取n(1,1,0)同理，设m是平面C1BD的法向量，则可取m(1,2,1)从而cosn，m.故二面角A1BDC1的大小为30.类题通法向量法求二面角(或其某个三角函数值)的四个步骤活学活用(全国甲卷)如图，菱形ABCD的对角线AC与BD交于点O，AB5，AC6，点E，F分别在AD，CD上，AECF，EF交BD于点H.将DEF沿EF折到DEF的位置，OD.(1)证明：DH平面ABCD；(2)求二面角BDAC的正弦值解：(1)证明：由已知得ACBD，ADCD.又由AECF，得，故ACEF.因此EFHD，从而EFDH.由AB5，AC6，得DOBO4.由EFAC，得.所以OH1，DHDH3.于是DH2OH2321210DO2，故DHOH.又DHEF，而OHEFH，所以DH平面ABCD.(2)如图，以H为坐标原点，的方向为x轴正方向，建立空间直角坐标系Hxyz，则H(0,0,0)，A(3，1,0)，B(0，5,0)，C(3，1,0)，D(0,0,3)，故(3，4,0)，(6,0,0)，(3,1,3)设m(x1，y1，z1)是平面ABD的法向量，则即所以可取m(4,3，5)设n(x2，y2，z2)是平面ACD的法向量，则即所以可取n(0，3,1)于是cosm，n.故sinm，n.因此二面角BDAC的正弦值是.用空间向量求距离例4四棱锥PABCD中，四边形ABCD为正方形，PD平面ABCD，PDDA2，F，E分别为AD，PC的中点(1)求证：DE平面PFB；(2)求点E到平面PFB的距离解(1)证明：以D为原点， 建立如图所示的空间直角坐标系，则P(0,0,2)，F(1,0,0)，B(2，2,0)，E(0,1,1)，(1,0,2)，(1,2,0)，(0,1,1)，平面PFB.又DE平面PFB，DE平面PFB.(2)DE平面PFB，点E到平面PFB的距离等于点D到平面PFB的距离设平面PFB的一个法向量n(x，y，z)，则令x2，得y1，z1.n(2，1,1)又(1,0,0)，点D到平面PFB的距离d.点E到平面PFB的距离为.类题通法求点到平面的距离的四步骤活学活用在棱长为1的正方体ABCDA1B1C1D1中，E，F分别是A1B1，CD的中点，求点B到平面AEC1F的距离解：以D为原点，建立如图所示的空间直角坐标系，则A(1,0,0)，F，E，B(1,1,0)，1，0.设平面AEC1F的法向量为n(1，)，则n0，n0.n(1,2，1)又(0,1,0)，点B到平面AEC1F的距离d.典例 (12分)平面图形ABB1A1C1C如图所示，其中BB1C1C是矩形，BC2，BB14，ABAC，A1B1A1C1，现将该平面图形分别沿BC和B1C1折叠，使ABC与A1B1C1所在平面都与平面BB1C1C垂直，再分别连接A1A，A1B，A1C，得到如图所示的空间图形对此空间图形解答下列问题(1)证明：AA1BC；(2)求AA1的长；(3)求二面角ABCA1的余弦值解题流程由题设，可得A1D12，AD1.由以上可知AD平面BB1C1C，A1D1平面BB1C1C，于是ADA1D1.(4分)所以A(0，1,4)，B(1,0,4)，A1(0,2,0)，C(1,0,4)，D(0,0,4)，故(0,3，4)，(2,0,0)，0，(5分)因此，即AA1BC.(6分)(2)因为(0,3，4)，所以|5，即AA15.(8分)(3)设平面A1BC的法向量为n1(x1，y1，z1)，又因为(1，2,4)，(1，2,4)，(9分)所以(10分)即令z11，则n1(0,2,1)活学活用如图，在圆锥PO中，已知PO，O的直径AB2，C是的中点，D为AC的中点(1)证明：平面POD平面PAC；(2)求二面角BPAC的余弦值解：(1)如图，以O为坐标原点，OB，OC，OP所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系，则O(0,0,0)，A(1,0,0)，B(1,0,0)，C(0,1,0)，P(0,0，)，D.设n1(x1，y1，z1)是平面POD的一个法向量，则由n10，n10，得z10，x1y1.取y11，得n1(1,1,0)设n2(x2，y2，z2)是平面PAC的一个法向量，则由n20，n20，得x2z2，y2z2.取z21，得n2(，1)n1n2(1,1,0)(，1)0，n1n2.从而平面POD平面PAC.(2)y轴平面PAB，平面PAB的一个法向量为n3(0,1,0)由(1)知，平面PAC的一个法向量为n2(，1)设向量n2和n3的夹角为，则cos .由图可知，二面角BPAC的平面角与相等，二面角BPAC的余弦值为.随堂即时演练1若直线l的方向向量与平面的法向量的夹角等于120，则直线l与平面所成的角等于()A120B60C30 D以上均错解析：选Cl的方向向量与平面的法向量的夹角为120，它们所在直线的夹角为60，则直线l与平面所成的角为906030.2在长方体ABCDA1B1C1D1中，B1C和C1D与底面所成角分别为60和45，则异面直线B1C和C1D所成角的余弦值为()A. B.C. D.解析：选A建立如图所示的空间直角坐标系，可知CB1C160，DC1D145，设B1C11，CC1DD1.C1D1，则有B1(，0,0)，C(，1，)，C1(，1,0)，D(0,1，)(0,1，)，(，0，)cos，.3已知向量n(1,0，1)与直线l垂直，且直线l经过点A(2,3,1)，则点P(4,3,2)到直线l的距离为_解析：(2,0，1)，又n与l垂直，P到l的距离为.答案：4在四棱锥PABCD中，PA底面ABCD，底面ABCD为边长是1的正方形，PA2，则AB与PC的夹角的余弦值为_解析：因为()1cos 451，又|1，|，cos，.答案：5如图，正方形ACDE所在的平面与平面ABC垂直，M是CE与AD的交点，ACBC，且ACBC.(1)求证：AM平面EBC；(2)求直线AB与平面EBC所成角的大小解：四边形ACDE是正方形，EAAC，AMEC.平面ACDE平面ABC，EA平面ABC.以点A为原点，以过A点平行于BC的直线为x轴，分别以AC和AE所在直线为y轴和z轴，建立空间直角坐标系Axyz.设EAACBC2，则A(0,0,0)，B(2,2,0)，C(0,2,0)，E(0,0,2)M是正方形ACDE的对角线的交点，M(0,1,1)(1)证明：(0,1,1)，(0,2，2)，(2,0,0)，0，0.AMEC，AMCB.又ECCBC，AM平面EBC.(2)AM平面EBC，为平面EBC的一个法向量(0,1,1)，(2,2,0)，cos，.，60.直线AB与平面EBC所成角的大小为30.课时达标检测一、选择题1已知平面的一个法向量为n(2，2,1)，点A(1,3,0)在平面内，则点P(2,1,4)到平面的距离为()A10B3C. D.解析：选D点P到平面的距离d.2在长方体ABCDA1B1C1D1中，AB2，BC2，DD13，则AC与BD1所成角的余弦值为()A0 B.C D.解析：选A建立如图空间直角坐标系，则D1(0,0,3)，B(2,2,0)，A(2,0,0)，C(0,2,0)，(2，2,3)，(2,2,0)cos，0.，90，其余弦值为0.3已知正四棱锥S ABCD的侧棱长与底面边长都相等，E是SB的中点，则AE，SD所成的角的余弦值为()A. B.C. D.解析：选C建立如图所示的空间直角坐标系，令正四棱锥的棱长为2，则A(1，1,0)，D(1，1,0)，S(0,0，)，E，(1，1，)，cos，AE，SD所成的角的余弦值为.4在正方体ABCDA1B1C1D1中，E是C1C的中点，则直线BE与平面B1BD所成的角的正弦值为()A B.C D.解析：选B建立如图空间直角坐标系，设正方体的棱长为2，则D(0,0,0)，B(2,2,0)，B1(2,2,2)，E(0，2,1)(2，2,0)，(0,0,2)，(2,0,1)设平面B1BD的法向量为n(x，y，z)n，n，令y1，则n(1,1,0)cosn，设直线BE与平面B1BD所成角为，则sin |cosn，|.5正方形ABCD所在平面外有一点P，PA平面ABCD.若PAAB，则平面PAB与平面PCD所成的二面角的大小为()A30 B45C60 D90解析：选B建立空间直角坐标系如图，设AB1，则A(0,0,0)，B(0,1,0)，P(0,0,1)，D(1,0,0)，C(1,1,0)平面PAB的法向量为n1(1,0,0)设平面PCD的法向量n2(x，y，z)，则得令x1，则z1.n2(1,0,1)，cosn1，n2.平面PAB与平面PCD所成的二面角的余弦值为.此角的大小为45.二、填空题6直线l的方向向量a(2,3,2)，平面的一个法向量n(4,0,1)，则直线l与平面所成角的正弦值为_解析：设直线l与平面所成的角是，a，n所成的角为，sin |cos |.答案：7在正方体ABCDA1B1C1D1中，M，N分别是棱AA1和BB1的中点，则sin，_.解析：建立如图空间直角坐标系，设正方体棱长为2，则C(0，2,0)，M(2,0,1)，D1(0,0,2)，N(2，2,1)可知(2，2,1)，(2,2，1)，22(2)21(1)1，|3，|3，cos，sin，.答案：8.如图，已知矩形ABCD与矩形ABEF全等，二面角DABE为直二面角，M为AB的中点，FM与BD所成的角为，且cos ，则_.解析：建立如图所示空间直角坐标系，设AB