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文档简介
1、立体几何中的向量法一、复习用空间向量解决立体几何问题的“三步曲”。(1)建立立体图形与空间向量的联系,用空间向量表示问题中涉及的点、直线、平面,把立体几何问题转化为向量问题;(2)通过向量运算,研究点、直线、平面之间的位置关系以及它们之间距离和夹角等问题;(3)把向量的运算结果“翻译”成相应的几何意义。(化为向量问题)(进行向量运算)(回到图形)利用向量解决 角与距离问题例题 例1:如图1:一个结晶体的形状为四棱柱,其中,以顶点A为端点的三条棱长都相等,且它们彼此的夹角都是60,那么以这个顶点为端点的晶体的对角线的长与棱长有什么关系? A1B1C1D1ABCD图1解:如图1,设化为向量问题依据
2、向量的加法法则,进行向量运算所以回到图形问题这个晶体的对角线 的长是棱长的 倍。思考:(1)本题中四棱柱的对角线BD1的长与棱长有什么关系? (2)如果一个四棱柱的各条棱长都相等,并且以某一顶点为端点的各棱间的夹角都等于 , 那么有这个四棱柱的对角线的长可以确定棱长吗?A1B1C1D1ABCD分析:分析: 这个四棱柱的对角线的长可以确定棱长。(3)本题的晶体中相对的两个平面之间的距离是多少? 设AB=1 (提示:求两个平行平面的距离,通常归结为求两点间的距离)A1B1C1D1ABCDH分析:面面距离点面距离解: 所求的距离是问题:如何求直线A1B1到平面ABCD的距离?向量法求点到平面的距离:
3、PA如图,已知点P(x0,y0,z0),在平面 内任意取一点A(x1,y1,z1),一个法向量其中也就是AP在法向量n上的投影的绝对值例2、已知正方形ABCD的边长为4,CG平面ABCD,CG=2,E、F分别是AB、AD的中点,求点B到平面GEF的距离。DABCGFExyz问题: 请小结如何用向量的方法求空间中两点的距离? 点到直线的距离? 点面之间的距离? 直线到直线的距离?abCDAB已知a,b是异面直线,n为a的法向量CD为a,b的公垂线则A,B分别在直线a,b上练习:如图,空间四边形OABC各边以及AC,BO的长都是1,点D,E分别是边OA,BC的中点,连结DE,计算DE的长。 OAB
4、CDE图2空间“距离”问题1. 空间两点之间的距离 根据两向量数量积的性质和坐标运算,利用公式 或 (其中 ) ,可将两点距离问题转化为求向量模长问题2. 点到面的距离 设n为平面 的一个法向量,AB是面 的一条斜线,A为斜足。根据向量在轴上射影的概念 ,点B到面 的距离等于向量在n上的射影的长度,所以BAn3. 异面直线间的距离 nCDC、D分别是 上任一点,则 间的距离可转化为向量 在n上的射影长,故设 为两异面直线,其公共法向量为 n,例2 如图,ABCD是矩形, 面ABCD, PD=DC= , AD= ,M、N分别是 AD, PB的中点,求点A到面MNC的距离 APDCBMN解:如图,
5、以D为原点建立空间直角坐标系Dxyz 则D(0,0,0),A( ,0,0),B( , ,0), C(0, ,0),P(0,0, )DMPNAxCBzy由于M,N分别是AD,PD的中点所以M( ,0,0),N( , , 设 为面MNC的一个法向量,故 解得 , 所以 且故可取 所以, 在 上的射影长即点A到面MNC的距离为 1. 已知正方体 的边长为2, O为AC和BD的交点,M为 的中点 (1) 求证: 直线 面MAC (2)求二面角 的余弦值巩固练习 B1A1 C1D1DCBAOM2如图,已知正方形ABCD的边长为4,E,F分别是AB,AD中点,GC 面ABCD,且GC2,求点B到面EFG的
6、距离DCAFBGE 本节课我们主要介绍了空间“角”与“距离”的向量解法。我们发现,引入“空间向量”这一工具,能避免较为复杂的空间想象,为立体几何代数化带来很大的方便。而且,我们还发现,在立几图形中合理建立空间直角坐标系,使“空间向量”坐标化,是解题的关键。事实上,它是完成从几何问题向代数问题转化的基础。小结 例2:如图3,甲站在水库底面上的点A处,乙站在水坝斜面上的点B处。从A,B到直线 (库底与水坝的交线)的距离AC和BD分别为 和 ,CD的长为 , AB的长为 。求库底与水坝所成二面角的余弦值。 解:如图,化为向量问题根据向量的加法法则进行向量运算ABCD图3于是,得设向量 与 的夹角为
7、, 就是库底与水坝所成的二面角。因此所以回到图形问题库底与水坝所成二面角的余弦值为思考: (1)本题中如果夹角 可以测出,而AB未知,其他条件不变,可以计算出AB的长吗?分析: 可算出 AB 的长。 (2)如果已知一个四棱柱的各棱长和一条对角线的长,并且以同一顶点为端点的各棱间的夹角都相等,那么可以确定各棱之间夹角的余弦值吗? 分析:如图,设以顶点 为端点的对角线长为 ,三条棱长分别为 各棱间夹角为 。A1B1C1D1ABCD (3)如果已知一个四棱柱的各棱长都等于 ,并且以某一顶点为端点的各棱间的夹角都等于 ,那么可以确定这个四棱柱相邻两个夹角的余弦值吗?A1B1C1D1ABCD分析:二面角
8、平面角向量的夹角回归图形 解:如图,在平面 AB1 内过 A1 作A1EAB 于点 E,在平面 AC 内作 CFAB 于 F。EF可以确定这个四棱柱相邻两个夹角的余弦值。例3 正三棱柱 中,D是AC的中点,当 时,求二面角 的余弦值。yxzCADBC1B1A1EF 解法一:如图,以C为原点建立空间直角坐标系C-xyz。设底面三角形的边长为 ,侧棱长为b则 C(0,0,0)yxzCADBC1B1A1EF故由于 ,所以 yxzCADBC1B1A1EF则可设 =1, ,则B(0,1,0) 作 于E, 于F,则 即为二面角 的大小在 中, 即E分有向线段 的比为 由于 且 ,所以 在 中,同理可求 c
9、os = 即二面角 的余弦值为 解法二:同法一,以C为原点建立空间直角坐标系 C-xyzyxzCADBC1B1A1 在坐标平面yoz中 设面 的一个法向量为 同法一,可求 B(0,1,0) 可取 (1,0,0)为面 的法向量 由 得, 解得 所以,可取 二面角 的大小等于 方向朝面外, 方向朝面内,属于“一进一出”的情况,二面角等于法向量夹角练习: (1)如图4,60的二面角的棱上有A、B两点,直线AC、BD分别在这个二面角的两个半平面内,且都垂直AB,已知AB4,AC6,BD8,求CD的长。 B图4ACD即二面角 的余弦值为 cos = (2)三棱柱ABC-A1B1C1中,底面是边长为2的正三角形,A1AB45,A1AC60,求二面角B-A A1-C的平面角的余弦值。 ABCA1B1
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