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第8講 立體幾何 向量與向量方法二、空間向量.1、(1)共線向量:共線向量亦稱平行向量,指空間向量的有向線段所在直線互相平行或重合.(2)共線向量定理:對空間任意兩個(gè)向量, 的充要條件是存在實(shí)數(shù)(具有唯一性),使;(3)共面向量:若向量使之平行于平面或在內(nèi),則與的關(guān)系是平行,記作.(4)共面向量定理:如果兩個(gè)向量不共線,則向量與向量共面的充要條件是存在實(shí)數(shù)對x、y使.空間任一點(diǎn)O和不共線三點(diǎn)A、B、C,則是PABC四點(diǎn)共面的充要條件.(簡證:P、A、B、C四點(diǎn)共面)注:是證明四點(diǎn)共面的常用方法.2、 空間向量基本定理:如果三個(gè)向量不共面,那么對空間任一向量,存在一個(gè)唯一的有序?qū)崝?shù)組x、y、z,使.推論:設(shè)O、A、B、C是不共面的四點(diǎn),則對空間任一點(diǎn)P, 都存在唯一的有序?qū)崝?shù)組x、y、z使 (這里隱含x+y+z1).注:設(shè)四面體ABCD的三條棱,其中Q是BCD的重心,則向量用即證.3、 (1)空間向量的坐標(biāo):空間直角坐標(biāo)系的x軸是橫軸(對應(yīng)為橫坐標(biāo)),y軸是縱軸(對應(yīng)為縱軸),z軸是豎軸(對應(yīng)為豎坐標(biāo)).令=(a1,a2,a3),,則; ; (用到常用的向量模與向量之間的轉(zhuǎn)化:)空間兩點(diǎn)的距離公式:.(2)法向量:若向量所在直線垂直于平面,則稱這個(gè)向量垂直于平面,記作,如果那么向量叫做平面的法向量. (3)向量的應(yīng)用:利用法向量求點(diǎn)到面的距離定理:如圖,設(shè)n是平面的法向量,AB是平面的一條射線,其中,則點(diǎn)B到平面的距離為.利用法向量求二面角的平面角定理:設(shè)分別是二面角中平面的法向量,則所成的角就是所求二面角的平面角或其補(bǔ)角大小(方向相同,則為補(bǔ)角,反方,則為其夾角).證直線和平面平行定理:已知直線平面,且CDE三點(diǎn)不共線,則a的充要條件是存在有序?qū)崝?shù)對使.(常設(shè)求解若存在即證畢,若不存在,則直線AB與平面相交).二、例題分析:1、若與共線,與共線,則與共線.() 當(dāng)時(shí),不成立向量共面即它們所在直線共面.() 可能異面若,則存在小任一實(shí)數(shù),使.()與不成立若為非零向量,則.()這里用到之積仍為向量2、(海南寧夏卷理13)已知向量,且,則= _.解:由題意3、(四川延考文12)在正方體中,是棱的中點(diǎn),則與所成角的余弦值為()A B C D 解:如圖以D為坐標(biāo)系原點(diǎn),為單位長,分別為軸建立坐標(biāo)系,易見,所以,選B.(如果連結(jié),用余弦定理解三角形也可以求得答案.)4、設(shè)A、B、C、D是空間不共面的四點(diǎn),且滿足=0,=0,=0,則BCD是( )A.鈍角三角形 B.銳角三角形 C.直角三角形 D.不確定選B 提示:=0ACAB.同理可得ACAD,ABAD.設(shè)AB=a,AC=b,AD=c.則BC=,CD=,BD=.cosBCD=0,故BCD為銳角.同理CBD、BDC亦為銳角.則BCD為銳角三角形.5、如圖所示,已知線段AB在平面內(nèi),線段AC,線段BDAB,且與所成角是30.如果AB=a,AC=BD=b,求C、D間的距離.解析:由AC,可知ACAB.過D作DD,D為垂足,則DBD=30,=120,|2=(+)2=|2+|2+|2+2+2+2=b2+a2+b2+2b2cos120=a2+b2.CD=.小結(jié): |2=提供了向量與實(shí)數(shù)相互轉(zhuǎn)化的工具,運(yùn)用此公式,可以使線段長度問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)相等向量的數(shù)量積的問題,此題若考慮用常規(guī)方法轉(zhuǎn)化到三角形當(dāng)中求解,較繁鎖.6、設(shè),=,=,且|=1,|=2,|=3,(1)求|+|;(2)求|+2-|;(3)求-與的夾角.解:|+|2=2+2+2+2+2+2=1+4+9+0+23+223=17+6. |+|=.| +2-|=. .注意:向量作為溝通“數(shù)”和“形”的橋梁,是利用數(shù)學(xué)結(jié)合解題的一種重要載體學(xué)習(xí)者要逐步掌握向量運(yùn)算的各種幾何意義,才能較好的利用效率這一工具來靈活解題請注意以下的知識技能:()利用來證明線線平行或諸點(diǎn)共線問題;()利用來求證線線垂直;()利用,即=,解決兩直線的夾角問題;()利用|2=,解決線段長度問題,或利用(其中,是與同方向的單位向量),求在上的射影長.7、試用向量方法證明不等式:+(a,b,c為正實(shí)數(shù)).證明:如圖,構(gòu)造三棱錐ABCD,且每個(gè)頂角均為60,且|=a,| |=b,| |=c,則=|-|=|,=|-|=|,=|-|=|.在三角形BCD中,| |+|, +.8、如圖:已知正三棱柱ABCABC的側(cè)棱長為2,底面邊長為1,M是BC的中點(diǎn).(1)求異面直線AB與BC的夾角;(2)在直線CC上求一點(diǎn)N,使得MNAB;若AB的中點(diǎn)為P,BC的中點(diǎn)Q,求證:PQ/面ABC.(1)解法一:因?yàn)?又因?yàn)锳BCABC是正三棱柱, ,且 , 由題意,2.從而得:4 cos ,即異面直線AB與BC的夾角為arccos.解法二:以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),AA為z軸,AC為y軸,建立空間直角坐標(biāo)系, 由題意:A(0,0,0),B(,0),B(,2),C(0,1,2).則,.由夾角公式:cos. . 即異面直線AB與BC的夾角為arccos.(2)解法一:設(shè)由題意可得: , , ,也就是. 4x0 x ,即當(dāng)時(shí),ABMN. 解法二:同解法一,建立空間直角坐標(biāo)系,有A(0,0,0),B(,0),M(,0),N(0,1,z) 2z0解得z, N(0,1,) 即CN時(shí),ABMN.(3)(待定系數(shù)法)由上知:,;同理得:,則,又因?yàn)椋?設(shè),得:,得x=0,y=,所以所以PQ與面ABC共面,又因?yàn)?,所以PQ/面ABC. 指津:本題是運(yùn)用向量方法解決了異面直線求角、直線垂直及線面的平行證明等問題.這里把向量的普通方法和坐標(biāo)方法作了對比.圖形中,平行、垂直、角、距離等問題如何向量化、坐標(biāo)化、代數(shù)化是運(yùn)用好向量工具的關(guān)鍵,而空間直角坐標(biāo)系的建立,點(diǎn)、向量坐標(biāo)的確定和公式的運(yùn)用,需要學(xué)習(xí)者認(rèn)真體會、積累.建立空間直角坐標(biāo)系一般需要圖形中三條兩兩垂直的線段,本題中存在嗎?是如何處理的?本題可以運(yùn)用傳統(tǒng)方法(純幾何方法)解決嗎?,學(xué)習(xí)者不妨自己給出解答并與向量方法加以比較.隨著新教材的推廣使用,運(yùn)用向量法解決空間圖形中的角、距離,線線、線面及面面的平行、垂直等問題已成為新高考命題的熱點(diǎn),如何入手解題,運(yùn)用傳統(tǒng)方法還是向量方法,應(yīng)根據(jù)具體情況來定,多種方法靈活使用,合理使用,才能達(dá)到理想效果.9、(安徽卷理18)如圖,在四棱錐中,底面四邊長為1的菱形,, , ,為的中點(diǎn),為的中點(diǎn)()證明:直線;()求異面直線AB與MD所成角的大小; ()求點(diǎn)B到平面OCD的距離。方法一(綜合法) (1)取OB中點(diǎn)E,連接ME,NE又 (2) 為異面直線與所成的角(或其補(bǔ)角)作連接,所以 與所成角的大小為(3)點(diǎn)A和點(diǎn)B到平面OCD的距離相等,連接OP,過點(diǎn)A作 于點(diǎn)Q,又 ,線段AQ的長就是點(diǎn)A到平面OCD的距離,所以點(diǎn)B到平面OCD的距離為方法二(向量法)作于點(diǎn)P,如圖,分別以AB,AP,AO所在直線為軸建立坐標(biāo)系,(1)設(shè)平面OCD的法向量為,則即 取,解得(2)設(shè)與所成的角為, , 與所成角的大小為(3)設(shè)點(diǎn)B到平面OCD的距離為,則為在向量上的投影的絕對值, 由 , 得.所以點(diǎn)B到平面OCD的距離為10、 如圖,直三棱柱ABCA1B1C1中,底面是以ABC為直角的等腰直角三角形,AC=2a,BB1=3a.D為A1C1中點(diǎn).E為B1C的中點(diǎn).(1)求直線BE與A1C所成角的大小.(2)在線段AA1上是否存在點(diǎn)F,使CF平面B1DF.若存在,求出|;若不存在,說明理由.本題所給幾何體比較特殊,故可以根據(jù)題中條件,建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系解題.解:(1)如圖9-4所示,以B為原點(diǎn),BA所在直線為x軸,BC所在直線為y軸建立空間直角坐標(biāo)系Oxyz,則B(0,0,0),C(0, a,0),A(,0,0),A1(a,0,3a)易求得D(a, a,3a),E(0, ,a) ,=(a,- ,3a),=(0, a, a),設(shè)直線BE與A1C所成的角為,cos=、=,則=arccos.(2)假設(shè)存在點(diǎn)F,使CF平面B1DF,不妨設(shè)AF=b,F(xiàn)(a,0,b),=(a,- a,b),=(a,0,b-3a),=( a, a,0).=a2-a2=0,恒成立. 由=2a2+b(b-3a)=0可得b=a或b=2a.故在線段AA1上存在點(diǎn)F,當(dāng)|=a或2a時(shí),CF面B1DF.注:利用向量求兩條異面直線的夾角時(shí),要注意兩條
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