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立体几何中的向量方法(二)——求空间角

立体几何中的向量方法(二)——求空间角
立体几何中的向量方法(二)——求空间角

立体几何中的向量方法(二)——求空间角

一、填空题

1.(优质试题·扬州期末)在正方体A 1B 1C 1D 1-ABCD 中,AC 与B 1D 所成的角的大小为________(用弧度表示).

解析 建立如图所示的空间直角坐标系,设正方体边长为1,则A (0,0,0),C (1,1,0),B 1(1,0,1),D (0,1,0). ∴AC →=(1,1,0),B 1D →

=(-1,1, -1),

∵AC →·B 1D →=1×(-1)+1×1+0×(-1)=0, ∴AC →⊥B 1D →,∴AC 与B 1D 所成的角为π2.

答案 π

2

2.在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,BB 1与平面ACD 1所成角的正弦值为________.

解析 设正方体的棱长为1,以D 为坐标原点,DA ,DC ,DD 1所在直线分别为x 轴、y 轴、z 轴,建立空间直角坐标系,如图所示.则B (1,1,0),B 1(1,1,1),A (1,0,0),C (0,1,0),D 1(0,0,1),

所以BB 1→=(0,0,1),AC →=(-1,1,0),AD 1→

=(-1,0,1).

令平面ACD 1的法向量为n =(x ,y ,z ),则n ·AC →=-x +y =0,n ·AD 1→

=-x +z =0,令x =1,可得n =(1,1,1),

所以sin θ=|cos 〈n ,BB 1→

〉|=13×1

=3

3. 答案 3

3

3.在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,点E 为BB 1的中点,则平面A 1ED 与平面ABCD 所成的锐二面角的余弦值为________.

解析 以A

为原点建立如图所示的空间直角坐标系A -xyz ,设棱长为1,

则A 1(0,0,1),

E ? ?

???1,0,12,D (0,1,0), ∴A 1D →

=(0,1,-1), A 1E →=? ??

??1,0,-12,

设平面A 1ED 的一个法向量为

n 1=(1,y ,z ),所以有?????

A 1D →

·n 1=0,

A 1E →

·n 1=0,

?

????

y -z =0,1-1

2z =0,解得???

y =2,

z =2. ∴n 1=(1,2,2).

∵平面ABCD 的一个法向量为n 2=(0,0,1), ∴ cos 〈n 1,n 2〉=23×1=2

3.

即所成的锐二面角的余弦值为2

3. 答案 2

3

4.如图所示,在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,AA 1⊥底面ABC ,AB =BC =AA 1,

∠ABC =90°,点E ,F 分别是棱AB ,BB 1的中点,则直线EF 和BC 1所成的角大小为_________(用弧度表示).

解析 以BC 为x 轴,BA 为y 轴,BB 1为z 轴,建立空间直角坐标系.设AB =BC =AA 1=2,

则C 1(2,0,2),E (0,1,0),F (0,0,1), 则E F →

=(0,-1,1),BC 1→

=(2,0,2),

∴E F →·BC 1→

=2, ∴cos 〈E F →

,BC 1→

〉=

22×22

=1

2,

∴EF 和BC 1所成的角为π

3. 答案 π

3

5.已知六面体ABC -A 1B 1C 1是各棱长均等于a 的正三棱柱,D 是侧棱CC 1的中点,则直线CC 1与平面AB 1D 所成的角大小为________(用弧度表示).

解析 如图所示,取AC 的中点N ,以N 为坐标原点,建立空间直角坐标系.

则A ? ????0,-a 2,0,C ? ?

???0,a 2,0,

B 1? ??

??3a 2,0,a ,D ? ?

???0,a 2,a 2, C 1? ?

???0,a 2,a ,∴AB 1→=? ????3a 2,a 2,a ,AD →=? ????0,a ,a 2,CC 1→=(0,0,a ). 设平面AB 1D 的法向量为n =(x ,y ,z ),

由n ·AB 1→=0,n ·AD →

=0,可取n =(3,1,-2). ∴cos 〈CC 1→,n 〉=CC 1→

·n |CC 1→||n |=-2a a ×22=-2

2,

∴直线CC 1与平面AB 1D 所成的角为π

4. 答案 π

4

6.设正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的棱长为2,则点D 1到平面A 1BD 的距离是________. 解析

如图建立坐标系.则D 1(0,0,2),A 1(2,0,2),B (2,2,0), D 1A 1→=(2,0,0),D B →

=(2,2,0), 设平面A 1BD 的一个法向量

利用空间向量求空间角教案设计

利用空间向量求空间角 一、高考考纲要求: 能用向量方法解决异面直线的夹角、线面角、面面角问题.体会向量法在立体几何中的应用. 二、命题趋势: 在高考中,本部分知识是考查的重点内容之一,主要考查异面直线所成角、线面角、面面角的计算,属中档题,综合性较强,与平行垂直联系较多. 三、教学目标 知识与技能:能用向量法熟练解决异面直线的夹角、线面角、面面角的计算问题,了解向量法在研究立体几何问题中的应用; 过程与方法:通过向量这个载体,实现“几何问题代数化”的思想,进一步发展学生的空间想象能力和几何直观能力; 情感态度价值观:通过数形结合的思想和方法的应用,进一步让学生感受和体会空间直角坐标系,方向向量,法向量的魅力. 四、教学重难点 重点:用向量法求空间角——线线角、线面角、二面角; 难点:将立体几何问题转化为向量问题. 五、教学过程 (一)空间角公式 1、异面直线所成角公式:如图,设异面直线l ,m 的方向向量分别为a r ,b r ,异面直线l ,m

2、线面角公式:设直线l 为平面α的斜线,a r 为l 的方向向量,n r 为平面α的法向量,θ为 l 与α所成的角,则sin cos ,a n θ==r r a n a n ?r r r r . 3、面面角公式:设1n r ,2n r 分别为平面α、β的法向量,二面角为θ,则12,n n θ=r r 或 12,n n θπ=-r r (需要根据具体情况判断相等或互补) ,其中121212 cos ,n n n n n n ?=r r r r r r . α θ O n r a

(二)典例分析 如图,已知:在直角梯形OABC 中,//OA BC ,90AOC ∠=o ,SO ⊥面OABC ,且 1,2OS OC BC OA ====.求: (1)异面直线SA 和OB 所成的角的余弦值; (2)OS 与面SAB 所成角α的正弦值; (3)二面角B AS O --的余弦值. 解:如图建立空间直角坐标系,则(0,0,0)O , (2,0,0)A ,(1,1,0)B ,(0,1,0)C ,(0,0,1)S , 于是我们有(2,0,1)SA =-u u r ,(1,1,0)AB =-u u u r ,(1,1,0)OB =u u u r ,(0,0,1)OS =u u u r , (1)cos ,5SA OB SA OB SA OB ?== =u u r u u u r u u r u u u r u u r u u u r , 所以异面直线SA 和OB 所成的角的余弦值为5 . (2)设平面SAB 的法向量(,,)n x y z =r , 则0,0, n AB n SA ??=???=??r u u u r r u u r ,即0,20.x y x z -+=??-=? 取1x =,则1y =,2z =,所以(1,1,2)n =r , sin cos ,3OS n OS n OS n α?∴=== =u u u r r u u u r r u u u r r . (3)由(2)知平面SAB 的法向量1(1,1,2)n =u r , 又OC ⊥Q 平面AOS ,OC ∴u u u r 是平面AOS 的法向量, 令2(0,1,0)n OC ==u u r u u u r ,则有121212 cos ,n n n n n n ?== =u r u u r u r u u r u r u u r . ∴二面角B AS O --O A B C S

利用空间向量解立体几何 完整版

向量法解立体几何 立体几何的计算和证明常常涉及到二大问题:一是位置关系,它主要包括线线垂直,线面垂直,线线平行,线面平行;二是度量问题,它主要包括点到线、点到面的距离,线线、线面所成角,面面所成角等。 一、基本工具 1.数量积: cos a b a b θ?= 2.射影公式:向量a 在b 上的射影为 a b b ? 3.直线0Ax By C ++=的法向量为 (),A B ,方向向量为 (),B A - 4.平面的法向量(略) 二、用向量法解空间位置关系 1.平行关系 线线平行?两线的方向向量平行 线面平行?线的方向向量与面的法向量垂直 面面平行?两面的法向量平行 2.垂直关系 线线垂直(共面与异面)?两线的方向向量垂直 线面垂直?线与面的法向量平行 面面垂直?两面的法向量垂直 三、用向量法解空间距离 1.点点距离

点()111,,P x y z 与()222,,Q x y z 的 距离为PQ =u u u r 2.点线距离 求点()00,P x y 到直线:l 0Ax By C ++=的距离: 方法:在直线上取一点(),Q x y , 则向量PQ u u u r 在法向量(),n A B =上的射影 PQ n n ?u u u r = 即为点P 到l 的距离. 3.点面距离 求点()00,P x y 到平面α的距离: 方法:在平面α上去一点(),Q x y ,得向量PQ u u u r , 计算平面α的法向量n , 计算PQ u u u r 在α上的射影,即为点P 到面α的距离. 四、用向量法解空间角 1.线线夹角(共面与异面) 线线夹角?两线的方向向量的夹角或夹角的补角 2.线面夹角 求线面夹角的步骤: ① 先求线的方向向量与面的法向量的夹角,若为锐角角即可,若为钝角,则取其补角; ②再求其余角,即是线面的夹角. 3.面面夹角(二面角) 若两面的法向量一进一出,则二面角等于两法向量的夹角;法

利用空间向量求空间角考点与题型归纳

利用空间向量求空间角考点与题型归纳 一、基础知识 1.异面直线所成角 设异面直线a ,b 所成的角为θ,则cos θ=|a ·b | |a ||b | ? , 其中a ,b 分别是直线a ,b 的方向 向量. 2.直线与平面所成角 如图所示,设l 为平面α的斜线,l ∩α=A ,a 为l 的方向向量,n 为平面α的法向量, φ为l 与α所成的角,则sin φ=|cos 〈a ,n 〉|=|a ·n | |a ||n | ? . 3.二面角 (1)若AB ,CD 分别是二面角α-l -β的两个平面内与棱l 垂直的异面直线,则二面角(或其补角)的大小就是向量AB ―→与CD ―→ 的夹角,如图(1). (2)平面α与β相交于直线l ,平面α的法向量为n 1,平面β的法向量为n 2,〈n 1,n 2〉=θ,则二面角α -l -β为θ或π-θ.设二面角大小为φ,则|cos φ|=|cos θ|= |n 1·n 2| |n 1||n 2| ? ,如图(2)(3). 两异面直线所成的角为锐角或直角,而不共线的向量的夹角为(0,π),所以公式中要加绝对值. 直线与平面所成角的范围为????0,π 2,而向量之间的夹角的范围为[0,π],所以公式中要加绝对值. 利用公式与二面角的平面角时,要注意〈n 1,n 2〉与二面角大小的关系,是相等还是互

补,需要结合图形进行判断. 二、常用结论 解空间角最值问题时往往会用到最小角定理 cos θ=cos θ1cos θ2. 如图,若OA 为平面α的一条斜线,O 为斜足,OB 为OA 在平面α内的射影,OC 为平面α内的一条直线,其中θ为OA 与OC 所成的角,θ1为OA 与OB 所成的角,即线面角,θ2为OB 与OC 所成的角,那么cos θ=cos θ1cos θ2. 考点一 异面直线所成的角 [典例精析] 如图,在三棱锥P -ABC 中,P A ⊥底面ABC ,∠BAC =90°.点D ,E ,N 分别为棱P A ,PC ,BC 的中点,M 是线段AD 的中点,P A =AC =4,AB =2. (1)求证:MN ∥平面BDE ; (2)已知点H 在棱P A 上,且直线NH 与直线BE 所成角的余弦值为7 21 ,求线段AH 的长. [解] 由题意知,AB ,AC ,AP 两两垂直,故以A 为原点,分别以AB ―→,AC ―→,AP ―→ 方向为x 轴、y 轴、z 轴正方向建立如图所示的空间直角坐标系.依题意可得A (0,0,0),B (2,0,0),C (0,4,0),P (0,0,4),D (0,0,2),E (0,2,2),M (0,0,1),N (1,2,0). (1)证明:DE ―→=(0,2,0),DB ―→ =(2,0,-2). 设n =(x ,y ,z )为平面BDE 的法向量, 则????? n ·DE ―→=0,n ·DB ―→=0, 即????? 2y =0,2x -2z =0. 不妨取z =1,可得n =(1,0,1).

空间向量与立体几何知识总结

已知两异面直线 b a,,,,, A B a C D b ∈∈,则异面直线所成的角θ为:cos AB CD AB CD θ? = u u u r u u u r u u u r u u u r 例题 【空间向量基本定理】 例1.已知矩形ABCD,P为平面ABCD外一点,且PA⊥平面ABCD,M、N分别为PC、PD上的点,且M分成定比2,N分PD成定比1,求满足的实数x、y、z的值。 分析;结合图形,从向量出发,利用向量运算法则不断进行分解,直到全部向量都用、、表示出来,即可求出x、y、z的值。 如图所示,取PC的中点E,连接NE,则。 点评:选定空间不共面的三个向量作基向量,并用它们表示出指定的向量,是用向量解决立体几何问题的一项基本功,要结合已知和所求,观察图形,联想相关的运算法则和公式等,就近表示所需向量。再对照目标,将不符合目标要求的向量当作新的所需向量,如此继续下去,直到所有向量都符合目标要求为止,这就是向量的分解。有分解才有组合,组合是分解的表现形式。空间向量基本定理恰好说明,用空间三个不共面的向量组可以表示出空间任意一个向量,而且a,b,c的系数是惟一的。 【利用空间向量证明平行、垂直问题】 例2.如图,在四棱锥P—ABCD中,底面ABCD是正方形,侧棱PD⊥底面ABCD,PD=DC,E是PC的中点,作EF⊥PB于点F。 (1)证明:PA方形ABCD—中,E、F分别是,的中点,求:(1)异面直线AE与CF所成角的余弦值; (2)二面角C—AE—F的余弦值的大小。

点评:(1)两条异面直线所成的角可以借助这两条直线的方向向量的夹角求得,即。 (2)直线与平面所成的角主要可以通过直线的方向向量与平面的法向量的夹角求得,即 或 (3)二面角的大小可以通过该二面角的两个面的法向量的夹角求得,它等于两法向量的夹角或其补角。 【用空间向量求距离】 例4.长方体ABCD —中,AB=4,AD=6,,M 是A 1C 1的中点,P 在线段BC 上,且|CP|=2,Q 是DD 1的中点, 求: (1)异面直线AM 与PQ 所成角的余弦值; (2)M 到直线PQ 的距离; (3)M 到平面AB 1P 的距离。 本题用纯几何方法求解有一定难度,因此考虑建立空间直角坐标系,运用向量坐标法来解决。利用向量的模和夹角求空间的线段长和两直线的夹角,在新高考试题中已多次出现,但是利用向量的数量积来求空间的线与线之间的夹角和距离,线与面、面与面之间所成的角和距离还涉及不深,随着新教材的推广使用,这一系列问题必将成为高考命题的一个新的热点。现列出几类问题的解决方法。 (1)平面的法向量的求法:设,利用n 与平面内的两个向量a ,b 垂直,其数量积为零,列出两个三元 一次方程,联立后取其一组解。 (2)线面角的求法:设n 是平面的一个法向量,AB 是平面 的斜线l 的一个方向向量,则直线与平面 所成 角为n AB n AB ??= θθsin 则 (3)二面角的求法:①AB,CD 分别是二面角 的两个面内与棱l 垂直的异面直线,则二面角的大小为

空间向量及立体几何练习试题和答案解析

. 1.如图,在四棱锥P﹣ABCD中,底面ABCD为正方形,平面PAD⊥平面ABCD, 点M在线段PB上,PD∥平面MAC,PA=PD=,AB=4. 的中点;PB(1)求证:M为 的大小;A2)求二面角B﹣PD﹣( 所成角的正弦值.BDP(3)求直线MC与平面 【分析】(1)设AC∩BD=O,则O为BD的中点,连接OM,利用线面平行的性质证明OM∥PD,再由平行线截线段成比例可得M为PB的中点; (2)取AD中点G,可得PG⊥AD,再由面面垂直的性质可得PG⊥平面ABCD,则PG⊥AD,连接OG,则PG⊥OG,再证明OG⊥AD.以G为坐标原点,分别以GD、GO、GP所在直线为x、y、z轴距离空间直角坐标系,求出平面PBD与平面PAD的一个法向量,由两法向量所成角的大小可得二面角B﹣PD﹣A的大小; (3)求出的坐标,由与平面PBD的法向量所成角的余弦值的绝对值可得直线MC与平面BDP所成角的正弦值. 【解答】(1)证明:如图,设AC∩BD=O,

∵ABCD为正方形,∴O为BD的中点,连接OM, ∵PD∥平面MAC,PD?平面PBD,平面PBD∩平面AMC=OM, ∴PD∥OM,则,即M为PB的中点; (2)解:取AD中点G, . . ∵PA=PD,∴PG⊥AD, ∵平面PAD⊥平面ABCD,且平面PAD∩平面ABCD=AD, ∴PG⊥平面ABCD,则PG⊥AD,连接OG,则PG⊥OG, 由G是AD的中点,O是AC的中点,可得OG∥DC,则OG⊥AD. 以G为坐标原点,分别以GD、GO、GP所在直线为x、y、z轴距离空间直角坐标系, 由PA=PD=,AB=4,得D(2,0,0),A(﹣2,0,0),P(0,0,),C (2,4,0),B(﹣2,4,0),M(﹣1,2,), ,.

用向量法求二面角的平面角教案

第三讲:立体几何中的向量方法——利用空间向量求二面角的平面角 大家知道,立体几何是高中数学学习的一个难点,以往学生学习立体几何时,主要采取“形到形”的综合推理方法,即根据题设条件,将空间图形转化为平面图形,再由线线,线面等关系确定结果,这种方法没有一般规律可循,对人的智力形成极大的挑战,技巧性较强,致使大多数学生都感到束手无策。 高中新教材中,向量知识的引入,为学生解决立体几何问题提供了一个有效的工具。它能利用代数方法解决立体几何问题,体现了数形结合的思想。并且引入向量,对于某些立体几何问题提供通法,避免了传统立体几何中的技巧性问题,因此降低了学生学习的难度,减轻了学生学习的负担,体现了新课程理念。 为适应高中数学教材改革的需要,需要研究用向量法解决立体几何的各种问题。本文举例说明如何用向量法解决立体几何的空间角问题。以此强化向量的应用价值,激发学生学习向量的兴趣,从而达到提高学生解题能力的目的。 利用向量法求空间角,不需要繁杂的推理,只需要将几何问题转化为向量的代数运算,方便快捷。空间角主要包括线线角、线面角和二面角,下面对二面角的求法进行总结。 教学目标 1.使学生会求平面的法向量; 2.使学生学会求二面角的平面角的向量方法; 3.使学生能够应用向量方法解决一些简单的立体几何问题; 4.使学生的分析与推理能力和空间想象能力得到提高. 教学重点

求平面的法向量; 求解二面角的平面角的向量法. 教学难点 求解二面角的平面角的向量法. 教学过程 Ⅰ、复习回顾 一、回顾相关公式: 1、二面角的平面角:(范围:],0[πθ∈) 向量夹角的补角. 3、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;(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;(进行向量运算) (3)把向量的运算结果“翻译”成相应的几何意义。(回到图形) Ⅱ、典例分析与练习 例1、如图,ABCD 是一直角梯形,?=∠90ABC ,⊥SA 面ABCD ,1===BC AB SA ,

高中数学讲义微专题64 空间向量解立体几何(含综合题习题)

微专题64 利用空间向量解立体几何问题 一、基础知识 (一)刻画直线与平面方向的向量 1、直线:用直线的方向向量刻画直线的方向问题,而方向向量可由直线上的两个点来确定 例如:()()2,4,6,3,0,2A B ,则直线AB 的方向向量为()1,4,4AB =-- 2、平面:用平面的法向量来刻画平面的倾斜程度,何为法向量?与平面α垂直的直线称为平面α的法线,法线的方向向量就是平面α的法向量,如何求出指定平面的法向量呢? (1)所需条件:平面上的两条不平行的直线 (2)求法:(先设再求)设平面α的法向量为(),,n x y z =,若平面上所选两条直线的方向向量分别为()()111222,,,,,a x y z b x y z ==,则可列出方程组: 1112220 x y z x y x y z x y z z ++=?? ++=? 解出,,x y z 的比值即可 例如:()()1,2,0,2,1,3a b ==,求,a b 所在平面的法向量 解:设(),,n x y z =,则有20230x y x y z +=??++=? ,解得:2x y z y =-??=? ::2:1:1x y z ∴=- ()2,1,1n ∴=- (二)空间向量可解决的立体几何问题(用,a b 表示直线,a b 的方向向量,用,m n 表示平面 ,αβ的法向量) 1、判定类 (1)线面平行:a b a b ?∥∥ (2)线面垂直:a b a b ⊥?⊥ (3)面面平行:m n αβ?∥∥ (4)面面垂直:m n αβ⊥?⊥ 2、计算类: (1)两直线所成角:cos cos ,a b a b a b θ?==

利用空间向量求空间角和距离

利用空间向量求空间角和距离 A 级——夯基保分练 1.如图所示,在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,已知M ,N 分别是BD 和AD 的中点,则B 1M 与D 1N 所成角的余弦值为( ) A.30 30 B .3015 C. 3010 D. 1515 解析:选C 建立如图所示的空间直角坐标系.设正方体的棱长为2,则B 1(2,2,2),M (1,1,0),D 1(0,0,2),N (1,0,0),∴B 1M ―→ =(-1,-1,-2),D 1N ―→ =(1,0,-2), ∴B 1M 与D 1N 所成角的余弦值为|B 1M ―→·D 1N ―→ | |B 1M ―→|·|D 1N ―→|= |-1+4|1+1+4×1+4=30 10 . 2.如图,已知长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,AD =AA 1=1,AB =3,E 为线段AB 上一点,且AE =1 3AB ,则DC 1与平面D 1EC 所成角的 正弦值为( ) A.33535 B .277 C.33 D.24 解析:选A 如图,以D 为坐标原点,DA ,DC ,DD 1所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角坐标系,则C 1(0,3,1),D 1(0,0,1),E (1,1,0),C (0,3,0), ∴DC 1―→=(0,3,1),D 1E ―→=(1,1,-1),D 1C ―→ =(0,3,-1). 设平面D 1EC 的法向量为n =(x ,y ,z ), 则????? n ·D 1E ―→=0,n · D 1C ―→=0,即????? x +y -z =0,3y -z =0,取y =1,得n =(2,1,3). ∴cos DC 1―→,n =DC 1―→·n |DC 1―→|·|n| =33535, ∴DC 1与平面D 1EC 所成的角的正弦值为335 35 .

向量法求空间角(高二数学,立体几何)

A B C D P Q 向量法求空间角 1.(本小题满分10分)在如图所示的多面体中,四边形ABCD 为正方形,四边形ADPQ 是直角梯形,DP AD ⊥,⊥CD 平面ADPQ ,DP AQ AB 2 1==. (1)求证:⊥PQ 平面DCQ ; (2)求平面BCQ 与平面ADPQ 所成的锐二面角的大小. 2.(满分13分)如图所示,正四棱锥P -ABCD 中,O 为底面正方形的中心,侧棱PA 与底面ABCD 所成的角的正切值为 2 6. (1)求侧面PAD 与底面ABCD 所成的二面角的大小; (2)若E 是PB 的中点,求异面直线PD 与AE 所成角的正切值; (3)问在棱AD 上是否存在一点F ,使EF ⊥侧面PBC ,若存在,试确定点F 的位置;若不存在,说明理由. B

3.(本小题只理科做,满分14分)如图,已知AB⊥平面ACD,DE//AB,△ACD是正三角形,AD=DE=2AB,且F是CD的中点. (1)求证:AF//平面BCE; (2)求证:平面BCE⊥平面CDE; (3)求平面BCE与平面ACD所成锐二面角的大小. P-中,PD⊥底面ABCD,且底面4.(本小题满分12分)如图,在四棱锥ABCD ABCD为正方形,G PD =分别为CB PC, ,的中点. = PD F ,2 E AD, , AP平面EFG; (1)求证:// (2)求平面GEF和平面DEF的夹角.

H P G F E D C B 5.如图,在直三棱柱111AB C A B C -中,平面1A BC ⊥ 侧面11A ABB 且12AA AB ==. (Ⅰ)求证:AB BC ⊥; (Ⅱ)若直线AC 与平面1A BC 所成的角为6 π,求锐二面角1A A C B --的大小. 6.如图,四边形ABCD 是正方形,EA ⊥平面ABCD ,EA PD ,2AD PD EA ==,F ,G , H 分别为PB ,EB ,PC 的中点. (1)求证:FG 平面PED ; (2)求平面FGH 与平面PBC 所成锐二面角的大小.

利用向量法求空间角经典教案

利用空间向量求空间角 目标:会用向量求异面直线所成的角、直线与平面所成的角、二面角的方法; 一、复习回顾向量的有关知识: (1)两向量数量积的定义:><=?,cos ||||(2)两向量夹角公式:| |||,cos b a b a >= < 二、知识讲解与典例分析 知识点1:两直线所成的角(范围:]2 , 0(π θ∈) (1)定义:过空间任意一点o 分别作异面直线a 与b 的平行线a′与b′,那么直线a′与b′ 所成的锐角或直角,叫做异面直线a 与b 所成的角. (2)用向量法求异面直线所成角,设两异面直线a 、b 的方向向量分别为a 和b , 问题1: 当与的夹角不大于90°时,异面直线 的角θ与 和 的夹角的关系? 问题 2:与的夹角大于90°时,,异面直线a 、θ与a 和b 的夹角的关系? 结论:异面直线a 、b 所成的角的余弦值为| ||||,cos |cos n m = ><=θ 例1如图,正三棱柱111C B A ABC -的底面边长为a ,侧棱长为a 2,求1AC 和1CB 所成的角. 解法步骤:1.写出异面直线的方向向量的坐标。 2.利用空间两个向量的夹角公式求出夹角。 解:如图建立空间直角坐标系xyz A -,则)2,,0(),0,2 1 ,23(),2,21,23(),0,0,0(11a a B a a C a a a C A -- ∴ )2,21,23(1a a a AC - =,)2,2 1 ,23(1a a a CB = 即21323,cos 22 111111==>= <11,cos BE DF 与>

第43讲 利用空间向量求空间角和距离(讲)(解析版)

第43讲 利用空间向量求空间角和距离 思维导图 知识梳理 1.异面直线所成角 设异面直线a ,b 所成的角为θ,则cos θ=|a ·b | |a ||b |, 其中a ,b 分别是直线a ,b 的方向向量. 2.直线与平面所成角 如图所示,设l 为平面α的斜线,l ∩α=A ,a 为l 的方向向量,n 为平面α的法向量,φ为l 与α所成的角,则sin φ=|cos 〈a ,n 〉|=|a ·n | |a ||n | 3.二面角 (1)若AB ,CD 分别是二面角α-l -β的两个平面内与棱l 垂直的异面直线,则二面角(或其补角)的大小就是向量AB ―→与CD ―→ 的夹角,如图(1). (2)平面α与β相交于直线l ,平面α的法向量为n 1,平面β的法向量为n 2,〈n 1,n 2〉=θ,则二面角α -l -β为θ或π-θ.设二面角大小为φ,则|cos φ|=|cos θ|= |n 1·n 2| |n 1||n 2| ,如图(2)(3). 4.利用空间向量求距离 (1)两点间的距离

设点A (x 1,y 1,z 1),点B (x 2,y 2,z 2),则|AB |=|AB ―→ |=(x 1-x 2)2+(y 1-y 2)2+(z 1-z 2)2. (2)点到平面的距离 如图所示,已知AB 为平面α的一条斜线段,n 为平面α的法向量,则B 到平面α的距离为|BO ―→|=|AB ―→ ·n | |n | . 题型归纳 题型1 异面直线所成的角 【例1-1】(2020?济南模拟)已知直角梯形ABCD 中,//AD BC ,AB BC ⊥,1 2 AB AD BC == ,将直角梯形ABCD (及其内部)以AB 所在直线为轴顺时针旋转90?,形成如图所示的几何体,其中M 为CE 的中点. (1)求证:BM DF ⊥; (2)求异面直线BM 与EF 所成角的大小. 【分析】(1)建立空间坐标系,得出BM ,DF 的坐标,根据向量的数量积为0得出直线垂直; (2)计算BM 和EF 的夹角,从而得出异面直线所成角的大小. 【解答】(1)证明: AB BC ⊥,AB BE ⊥,BC BE B =, AB ∴⊥平面BCE , 以B 为原点,以BE ,BC ,BA 为坐标轴建立空间坐标系B xyz -,如图所示: 设1AB AD ==,则(0D ,1,1),(1F ,0,1),(0B ,0,0),M 0), ∴(2BM =,0),(1DF =,1-,0),

第8讲立体几何中的向量方法求空间角 (1)

第8讲立体几何中的向量方法(二)——求空间角 一、选择题 1.(2016·长沙模拟)在正方体A1B1C1D1-ABCD中,AC与B1D所成的角的大小为() A.π 6 B. π 4 C. π 3 D. π 2 解析建立如图所示的空间直角坐标系,设正方体边长为1,则A(0,0,0),C(1,1,0),B1(1,0,1),D(0,1,0). ∴AC→=(1,1,0),B1D →=(-1,1,-1), ∵AC→·B1D →=1×(-1)+1×1+0×(-1)=0, ∴AC→⊥B1D →, ∴AC与B1D所成的角为π2. 答案 D 2.(2017·郑州调研)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,BB1与平面ACD1所成角的正弦值为() A. 3 2 B. 3 3 C. 3 5 D. 2 5 解析设正方体的棱长为1,以D为坐标原点,DA,DC,DD1 所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,如 图所示.则B(1,1,0),B1(1,1,1),A(1,0,0),C(0,1, 0),D1(0,0,1), 所以BB1→=(0,0,1),AC→=(-1,1,0),AD1 →=(-1,0,1). 令平面ACD1的法向量为n=(x,y,z),则n·AC→=-x+y=0,n·AD1 →=-x+z =0,令x=1,可得n=(1,1,1),

所以sin θ=|cos 〈n ,BB 1→ 〉|=13×1=3 3 . 答案 B 3.在正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,点E 为BB 1的中点,则平面A 1ED 与平面ABCD 所成的锐二面角的余弦值为( ) A.12 B.23 C.33 D.22 解析 以A 为原点建立如图所示的空间直角坐标系 A -xyz ,设棱长为1, 则A 1(0,0,1), E ? ????1,0,12,D (0,1,0), ∴A 1D →=(0,1,-1), A 1E →=? ????1,0,-12, 设平面A 1ED 的一个法向量为n 1=(1,y ,z ),所以有???A 1D →·n 1=0,A 1E →·n 1=0,即???y -z =0,1-12z =0,解得????? y =2,z =2. ∴n 1=(1,2,2). ∵平面ABCD 的一个法向量为n 2=(0,0,1), ∴ cos 〈n 1,n 2〉=23×1=23. 即所成的锐二面角的余弦值为2 3. 答案 B 4.(2017·西安调研)已知六面体ABC -A 1B 1C 1是各棱长均等于a 的正三棱柱,D 是侧棱CC 1的中点,则直线CC 1与平面AB 1D 所成

利用空间向量解立体几何完整

利用空间向量解立体几何(完整版)

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向量法解立体几何 引言 立体几何的计算和证明常常涉及到二大问题:一是位置关系,它主要包括线线垂直,线面垂直,线线平行,线面平行;二是度量问题,它主要包括点到线、点到面的距离,线线、线面所成角,面面所成角等。教材上讲的比较多的主要是用向量证明线线、线面垂直及计算线线角,而如何用向量证明线面平行,计算点到平面的距离、线面角及面面角的例题不多,给老师对这部分内容的教学及学生解有关这部分内容的题目造成一定的困难,下面主要就这几方面问题谈一下自己的想法,起到一个抛砖引玉的作用。 基本思路与方法 一、基本工具 1.数量积: cos a b a b θ?= 2.射影公式:向量a 在b 上的射影为 a b b ? 3.直线0Ax By C ++=的法向量为 (),A B ,方向向量为 (),B A - 4.平面的法向量(略) 二、用向量法解空间位置关系 1.平行关系 线线平行?两线的方向向量平行 线面平行?线的方向向量与面的法向量垂直 面面平行?两面的法向量平行 2.垂直关系

线线垂直(共面与异面)?两线的方向向量垂直 线面垂直?线与面的法向量平行 面面垂直?两面的法向量垂直 三、用向量法解空间距离 1.点点距离 点()111,,P x y z 与()222,,Q x y z 的 距离为222212121()()()PQ x x y y z z =-+-+-u u u r 2.点线距离 求点()00,P x y 到直线:l 0Ax By C ++=的距离: 方法:在直线上取一点(),Q x y , 则向量PQ u u u r 在法向量(),n A B =上的射影 PQ n n ?u u u r = 002 2 Ax By C A B +++ 即为点P 到l 的距离. 3.点面距离 求点()00,P x y 到平面α的距离: 方法:在平面α上去一点(),Q x y ,得向量PQ u u u r , 计算平面α的法向量n , 计算PQ u u u r 在α上的射影,即为点P 到面α的距离. 四、用向量法解空间角 1.线线夹角(共面与异面) 线线夹角?两线的方向向量的夹角或夹角的补角 2.线面夹角 求线面夹角的步骤:

用空间向量解立体几何问题方法归纳

用空间向量解立体几何题型与方法 平行垂直问题基础知识 直线l 的方向向量为a =(a 1,b 1,c 1).平面α,β的法向量u =(a 3,b 3,c 3),v =(a 4,b 4,c 4) (1)线面平行:l ∥α?a ⊥u ?a ·u =0?a 1a 3+b 1b 3+c 1c 3=0 (2)线面垂直:l ⊥α?a ∥u ?a =k u ?a 1=ka 3,b 1=kb 3,c 1=kc 3 (3)面面平行:α∥β?u ∥v ?u =k v ?a 3=ka 4,b 3=kb 4,c 3=kc 4 (4)面面垂直:α⊥β?u ⊥v ?u ·v =0?a 3a 4+b 3b 4+c 3c 4=0 例1、如图所示,在底面是矩形的四棱锥P -ABCD 中,P A ⊥底面ABCD ,E ,F 分别是PC ,PD 的中点,P A =AB =1,BC =2. (1)求证:EF ∥平面P AB ; (2)求证:平面P AD ⊥平面PDC . [证明] 以A 为原点,AB ,AD ,AP 所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴,建立空 间直角坐标系如图所示,则A (0,0,0),B (1,0,0),C (1,2,0),D (0,2,0),P (0,0,1),所以E ? ????1 2,1,12, F ? ????0,1,12,EF =? ?? ?? -12,0,0,PB =(1,0,-1),PD =(0,2,-1),AP =(0,0,1),AD =(0,2,0),DC =(1,0,0),AB =(1,0,0). (1)因为EF =-1 2AB ,所以EF ∥AB ,即EF ∥AB . 又AB ?平面P AB ,EF ?平面P AB ,所以EF ∥平面P AB . (2)因为AP ·DC =(0,0,1)·(1,0,0)=0,AD ·DC =(0,2,0)·(1,0,0)=0, 所以AP ⊥DC ,AD ⊥DC ,即AP ⊥DC ,AD ⊥DC . 又AP ∩AD =A ,AP ?平面P AD ,AD ?平面P AD ,所以DC ⊥平面P AD .因为DC ?平面PDC , 所以平面P AD ⊥平面PDC . 使用空间向量方法证明线面平行时,既可以证明直线的方向向量和平面内一条直线的方向向量平行,然后根据线面平行的判定定理得到线面平行,也可以证明直线的方向向量与平面的法向量垂直;证明面面垂直既可以证明线线垂直,然后使用判定定理进行判定,也可以证明两个平面的法向量垂直. 例2、在直三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,∠ABC =90°,BC =2,CC 1=4,点E 在线段BB 1上, 且EB 1=1,D ,F ,G 分别为CC 1,C 1B 1,C 1A 1的中点. 求证:(1)B 1D ⊥平面ABD ; (2)平面EGF ∥平面ABD .

《用向量法求直线与平面所成的角》教案

第二讲:立体几何中的向量方法——利用空间向量求直线与平面所成的 角大家知道,立体几何是高中数学学习的一个难点,以往学生学习立体几何时,主要采取“形到形”的综合 推理方法,即根据题设条件,将空间图形转化为平面图形,再由线线,线面等关系确定结果,这种方法没有一般 规律可循,对人的智力形成极大的挑战,技巧性较强,致使大多数学生都感到束手无策。 高中新教材中,向量知识的引入,为学生解决立体几何问题提供了一个有效的工具。它能利用代数方法解决立体几何问题,体现了数形结合的思想。并且引入向量,对于某些立体几何问题提供通法,避免了传统立体几何中的技巧性问题,因此降低了学生学习的难度,减轻了学生学习的负担,体现了新课程理念。 为适应高中数学教材改革的需要,需要研究用向量法解决立体几何的各种问题。本文举例说明如何用向量法解决立体几何的空间角问题。以此强化向量的应用价值,激发学生学习向量的兴趣,从而达到提高学生解题能力的目的。 利用向量法求空间角,不需要繁杂的推理,只需要将几何问题转化为向量的代数运算,方便快捷。 空间角主要包括线线角、线面角和二面角,下面对线面角的求法进行总结。 教学目标 1. 使学生学会求平面的法向量及直线与平面所成的角的向量方法; 2. 使学生能够应用向量方法解决一些简单的立体几何问题; 3. 使学生的分析与推理能力和空间想象能力得到提高. 教学重点 求平面的法向量; 求解直线与平面所成的角的向量法. 教学难点 求解直线与平面所成的角的向量法. 教学过程 I、复习回顾 一、回顾有关知识: 1

1、直线与平面所成的角:(范围:二? [0,—]) 2 思考:设平面:的法向量为n,则::n,BA .与二的关系? JT ■■二日=----- < n, BA > 2 (图 ) 2

利用空间向量解立体几何(完整版)

向量法解立体几何 一、基本工具 1.数量积: cos a b a b θ?= 2.射影公式:向量a 在b 上的射影为 a b b ? 3.直线0Ax By C ++=的法向量为 (),A B ,方向向量为 (),B A - 4.平面的法向量(略) 二、用向量法解空间位置关系 1.平行关系 线线平行?两线的方向向量平行 线面平行?线的方向向量与面的法向量垂直 面面平行?两面的法向量平行 2.垂直关系 线线垂直(共面与异面)?两线的方向向量垂直 线面垂直?线与面的法向量平行 面面垂直?两面的法向量垂直 三、用向量法解空间距离 1.点点距离 点()111,,P x y z 与()222,,Q x y z 的 距离为(PQ x =2.点线距离 求点()00,P x y 到直线:l 0Ax By C ++=的距离:

方法:在直线上取一点(),Q x y , 则向量PQ 在法向量(),n A B =上的射影PQ n n ? = 即为点P 到l 的距离. 3.点面距离 求点()00,P x y 到平面α的距离: 方法:在平面α上去一点(),Q x y ,得向量PQ , 计算平面α的法向量n , 计算PQ 在α上的射影,即为点P 到面α的距离. 四、用向量法解空间角 1.线线夹角(共面与异面) 线线夹角?两线的方向向量的夹角或夹角的补角 2.线面夹角 求线面夹角的步骤: ① 先求线的方向向量与面的法向量的夹角,若为锐角角即可,若为钝角,则取其补角; ②再求其余角,即是线面的夹角. 3.面面夹角(二面角) 若两面的法向量一进一出,则二面角等于两法向量的夹角;法向量同进同出,则二面角等于法向量的夹角的补角.

利用向量方法求空间角

利用向量方法求空间角 导学目标:1?掌握各种空间角的定义,弄清它们各自的取值范围2掌握异面直线所成 的角,二面角的平面角,直线与平面所成的角的联系和区别.3?体会求空间角中的转化思想、 数形结合思想,熟练掌握平移方法、射影方法等.4.灵活地运用各种方法求空间角. 课前准备里」回扣戟材夯宴基础______________________________________________ 【自主梳理】 1.两条异面直线的夹角 (1)定义:设a, b是两条异面直线,在直线 a上任取一点作直线 a'// b,则a'与a的夹角叫做a与b的夹角. (2) 范围:两异面直线夹角0的取值范围是 __________________________________________ . (3)___________________________________________________________________________ 向量求法:设直线 a, b的方向向量为a, b,其夹角为購则有cos 0= ___________________________ = 2.直线与平面的夹角 (1)定义:直线和平面的夹角,是指直线与它在这个平面内的射影的夹角. ⑵范围:直线和平面夹角0 的取值范围是 (3)向量求法:设直线I的方向向量为a,平面的法向量为u,直线与平面所成的角为0, a与u的夹角为為则有sin 0= ____________ 或cos 0= sin ? 3.二面角 (1) _____________________________ 二面角的取值范围是. (2)二面角的向量求法: ①若AB、CD分别是二面角a I—B的两个面内与棱I垂直的异面直线,则二面角的大小就是向量AB与CD的夹角(如图①). 胖I ① ② ③ ②设ni,n2分别是二面角 a— I —B的两个面 a B的法向量,则向量 m与匝的夹角(或其补角)的大小就是二面角的平面角的大小(如图②③). 自我检测】 1.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 ° 2?若直线l1,I2的方向向量分别为a= (2,4,- 4),b= (-6,9,6),则() A . I1 / I2 B. I1 丄丨2 C. l1与12相交但不垂直 D.以上均不正确 3.若直线I的方向向量与平面a的法向量的夹角等于 120。,则直线I与平面a所成的 角等于() A . 120 ° B. 60 ° C. 30° D.以上均错 4.(2011湛江月考)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

利用空间向量求空间角检测题

利用空间向量求空间角检测题 (试卷满分100分,考试时间90分钟) 一、选择题(每小题5分,共40分) 1.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:选C ∵cos m ,n =m ·n |m ||n |=12=22,∴m ,n =45°. ∴二面角为45°或135°.故选C. 2.已知长方体ABCD -A 1B 1C 1D 1中,AD =AA 1=1,AB =3,E 为线段AB 上一点,且AE =1 3AB ,则DC 1与平面D 1EC 所成角的正弦值为 ( ) A.33535 B.277 C.3 3 D.24 解析:选A 如图,以D 为坐标原点,DA ,DC ,DD 1所在直线分别为x 轴,y 轴,z 轴建立空间直角坐标系,则C 1(0,3,1),D 1(0,0,1),E (1,1,0),C (0,3,0), ∴DC 1―→=(0,3,1),D 1E ―→=(1,1,-1),D 1C ―→ =(0,3,-1). 设平面D 1EC 的法向量为n =(x ,y ,z ), 则????? n ·D 1E ―→=0,n · D 1C ―→=0,即????? x +y -z =0,3y -z =0,取y =1,得n =(2,1,3). ∴cos DC 1―→ ,n =DC 1―→·n | DC 1―→ |·|n |=33535, ∴DC 1与平面D 1EC 所成的角的正弦值为335 35 . 3.把边长为2的正方形ABCD 沿对角线BD 折起,使得平面ABD ⊥平面CBD ,则异面直线AD ,BC 所成的角为( ) A .120° B.30° C .90° D .60° 解析:选D 建立如图所示的空间直角坐标系,则A (2,0,0),B (0,2,0),C (0,0,

8-6利用空间向量求空间角

第六节 利用空间向量求空间角 突破点(一) 利用空间向量求空间角 1.两条异面直线所成角的求法 设两条异面直线a ,b 的方向向量为a ,b ,其夹角为θ,则cos φ=|cos θ|=|a ·b | |a||b |(其中φ 为异面直线a ,b 所成的角). 2.直线和平面所成角的求法 如图所示,设直线l 的方向向量为e ,平面α的法向量为n ,直线l 与平面α所成的角为φ,向量e 与n 的夹角为θ,则有sin φ=|cos θ|=|n ·e | |n ||e | . 3.求二面角的大小 (1)如图①,AB ,CD 是二面角α -l -β的两个面内与棱l 垂直的直线,则二面角的大小θ=〈AB ,CD 〉. (2)如图②和图③,n 1,n 2分别是二面角α-l -β的两个半平面α,β的法向量,则二面角的大小θ=〈n 1,n 2〉或π-〈n 1,n 2〉 . [例1] 是菱形,AB =2,∠BAD =60°. (1)求证:BD ⊥平面PAC ; (2)若PA =AB ,求PB 与AC 所成角的余弦值. 本节主要包括2个知识点: 1.利用空间向量求空间角; 2.与空间角有关的综合问题.

[方法技巧] 111111的中点,BD与AB1交于点O,且CO⊥平面ABB1A1. =22,D是AA (1)证明:BC⊥AB1; (2)若OC=OA,求直线CD与平面ABC所成角的正弦值.

[易错提醒] 腰梯形,且平面BCEF⊥平面ABCD,AB∥DC,CE∥BF,AB=2CD,∠ABC=60°,G 为线段AB的中点. (1)求证:AC⊥BF;(2)求二面角D-FG-B(钝角)的余弦值. [方法技巧] 利用向量法计算二面角大小的常用方法 (1)找法向量法:分别求出二面角的两个半平面所在平面的法向量,然后通过两个平面的法向量的夹角得到二面角的大小,但要注意结合实际图形判断所求角的大小.

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