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第一章 空間向量與立體幾何 章末復習提升(課件+教案+學案三份打包)高中數學人教A版選擇性必修第一冊

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第一章 空間向量與立體幾何 章末復習提升(課件+教案+學案三份打包)高中數學人教A版選擇性必修第一冊

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第一章
章末復習提升
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空間向量可以看作是平面向量的推廣,有許多概念和運算與平面向量是相同的,如模、零向量、單位向量、相等向量、相反向量等概念,加減法的三角形法則和平行四邊形法則,數乘運算與向量共線的判斷、數量積運算、夾角公式、求模公式等等.
一、空間向量的概念及運算
例1
(2)如圖所示,在平行六面體ABCD-A1B1C1D1中,以頂點A為端點的三條棱長都為1,且兩兩夾角為60°.
(多選)如圖,在四棱錐S-ABCD中,底面ABCD是邊長為1的正方形,S到A,B,C,D的距離都等于2.以下結論正確的是
訓練1



用空間向量判斷空間中線、面位置關系的類型與方法總結:
(1)線線平行:證明兩條直線平行,只需證明兩條直線的方向向量是共線向量.
(2)線線垂直:證明兩條直線垂直,只需證明兩條直線的方向向量垂直.
(3)線面平行:用向量證明線面平行的方法主要有:①證明直線的方向向量與平面的法向量垂直;②證明可在平面內找到一個向量與直線的方向向量是共線向量.
(4)線面垂直:用向量證明線面垂直的方法主要有:①證明直線的方向向量與平面的法向量平行;②利用線面垂直的判定定理轉化為線線垂直問題.
(5)面面平行:①證明兩個平面的法向量平行(即是共線向量);②轉化為線面平行、線線平行問題.
(6)面面垂直:①證明兩個平面的法向量互相垂直;②轉化為線面垂直、線線垂直問題.
二、利用空間向量證明線面位置關系
例2
在四棱錐P-ABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M為PC的中點.
(1)求證:BM∥平面PAD;
如圖,以A為原點,以AB,AD,AP分別為x軸、y軸、z軸建立空間直角坐標系,則B(1,0,0),D(0,2,0),
P(0,0,2),C(2,2,0),M(1,1,1).
(2)平面PAD內是否存在一點N,使MN⊥平面PBD?若存在,確定N的位置;若不存在,說明理由.
如圖所示,已知四棱錐P-ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,側面PBC⊥底面ABCD.證明:
訓練2
(1)PA⊥BD;
取BC的中點O,連接PO,
∵平面PBC⊥底面ABCD,△PBC為等邊三角形,
平面PBC∩底面ABCD=BC,PO?平面PBC,
∴PO⊥底面ABCD.
(2)平面PAD⊥平面PAB.
三、利用空間向量求距離
空間中兩種距離的計算公式
圖1
圖2
例3
已知四邊形ABCD是邊長為4的正方形,E,F分別是AB,AD的中點,CG垂直于正方形ABCD所在的平面,且CG=2,求點B到平面EFG的距離.
以C為坐標原點,CB,CD,CG所在直線分別為x軸、y軸、z軸,建立如圖所示的空間直角坐標系Cxyz.
由題意可知G(0,0,2),E(4,-2,0),F(2,-4,0),
B(4,0,0),
設平面EFG的法向量為n=(x,y,z).
訓練3


四、利用空間向量求空間角
空間中三種角的計算公式
例4
如圖所示,在長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=5,AD=8,AA1=4,M為B1C1上一點且B1M=2,點N在線段A1D上,A1D⊥AN.
建立空間直角坐標系,如圖所示,
則A(0,0,0),A1(0,0,4),M(5,2,4),D(0,8,0).
又A1D⊥AN,AM∩AN=A,AM,AN?平面AMN,∴A1D⊥平面AMN,
(3)求平面ANM與平面ABCD夾角的余弦值.
訓練4
(1)求證:BF∥平面ADE;
(2)求直線CE與平面BDE所成角的正弦值;  
一、空間向量的概念及運算
空間向量可以看作是平面向量的推廣,有許多概念和運算與平面向量是相同的,如模、零向量、單位向量、相等向量、相反向量等概念,加減法的三角形法則和平行四邊形法則,數乘運算與向量共線的判斷、數量積運算、夾角公式、求模公式等等.
例1 (1)如圖所示,在平行六面體ABCD-A1B1C1D1中,=a,=b,=c.M是C1D1的中點,點N是CA1上的點,且CN∶NA1=4∶1.用a,b,c表示以下向量:
①;
②.
解 ①=(+)
=[(++)+(+)]
=(+2+2)
=a+b+c.
②=+
=+(-)
=++
=a+b+c.
(2)如圖所示,在平行六面體ABCD-A1B1C1D1中,以頂點A為端點的三條棱長都為1,且兩兩夾角為60°.
①求的長;
②求與夾角的余弦值.
解 記=a,=b,=c,
則|a|=|b|=|c|=1,
〈a,b〉=〈b,c〉=〈c,a〉=60°,
∴a·b=b·c=c·a=.
①||2=(a+b+c)2=a2+b2+c2+2(a·b+b·c+c·a)=1+1+1+2×=6,
∴||=.
②=b+c-a,=a+b,
∴||=,||=,
·=(b+c-a)·(a+b)
=b2-a2+a·c+b·c=1,
∴cos〈,〉==.
訓練1 (多選)如圖,在四棱錐S-ABCD中,底面ABCD是邊長為1的正方形,S到A,B,C,D的距離都等于2.以下結論正確的是(  )
A.+++=0
B.(-)·(-)=0
C.-+-=0
D.·=·
答案 BCD
解析 可以推出:(-)·(-)=·=0,
所以B正確;
-+-=+=0,
所以C正確;
又因為底面ABCD是邊長為1的正方形,SA=SB=SC=SD=2,
所以·=2×2×cos∠ASB,·=2×2×cos∠CSD,而∠ASB=∠CSD,
于是·=·,
因此D正確.
二、利用空間向量證明線面位置關系
用空間向量判斷空間中線、面位置關系的類型與方法總結:
(1)線線平行:證明兩條直線平行,只需證明兩條直線的方向向量是共線向量.
(2)線線垂直:證明兩條直線垂直,只需證明兩條直線的方向向量垂直.
(3)線面平行:用向量證明線面平行的方法主要有:①證明直線的方向向量與平面的法向量垂直;②證明可在平面內找到一個向量與直線的方向向量是共線向量.
(4)線面垂直:用向量證明線面垂直的方法主要有:①證明直線的方向向量與平面的法向量平行;②利用線面垂直的判定定理轉化為線線垂直問題.
(5)面面平行:①證明兩個平面的法向量平行(即是共線向量);②轉化為線面平行、線線平行問題.
(6)面面垂直:①證明兩個平面的法向量互相垂直;②轉化為線面垂直、線線垂直問題.
例2 在四棱錐P-ABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M為PC的中點.
(1)求證:BM∥平面PAD;
(2)平面PAD內是否存在一點N,使MN⊥平面PBD?若存在,確定N的位置;若不存在,說明理由.
解 如圖,以A為原點,以AB,AD,AP分別為x軸、y軸、z軸建立空間直角坐標系,
則B(1,0,0),D(0,2,0),P(0,0,2),C(2,2,0),M(1,1,1).
(1)證明 ∵=(0,1,1),平面PAD的一個法向量為n=(1,0,0),
∴·n=0,即⊥n,
又BM 平面PAD,∴BM∥平面PAD.
(2)=(-1,2,0),=(1,0,-2).
假設平面PAD內存在一點N,使MN⊥平面PBD.
設N(0,y,z),則=(-1,y-1,z-1),
從而MN⊥BD,MN⊥PB,


∴∴N,
∴ 在平面PAD內存在一點N,
使MN⊥平面PBD.
訓練2 如圖所示,已知四棱錐P-ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,側面PBC⊥底面ABCD.證明:
(1)PA⊥BD;
(2)平面PAD⊥平面PAB.
證明 (1)取BC的中點O,連接PO,
∵平面PBC⊥底面ABCD,△PBC為等邊三角形,
平面PBC∩底面ABCD=BC,PO 平面PBC,
∴PO⊥底面ABCD.
以BC的中點O為坐標原點,以BC所在直線為x軸,過點O與AB平行的直線為y軸,OP所在直線為z軸,建立空間直角坐標系,如圖所示.
不妨設CD=1,則AB=BC=2,PO=,
∴A(1,-2,0),B(1,0,0),D(-1,-1,0),P(0,0,),
∴=(-2,-1,0),=(1,-2,-).
∵·=(-2)×1+(-1)×(-2)+0×(-)=0,
∴⊥,∴PA⊥BD.
(2)取PA的中點M,連接DM,則M.
∵=,=(1,0,-),
∴·=×1+0×0+×(-)=0,
∴⊥,即DM⊥PB.
∵·=×1+0×(-2)+×(-)=0,
∴⊥,即DM⊥PA.
又∵PA∩PB=P,PA,PB 平面PAB,
∴DM⊥平面PAB.
∵DM 平面PAD,
∴平面PAD⊥平面PAB.
三、利用空間向量求距離
空間中兩種距離的計算公式
(1)點P到直線l的距離:已知直線l的單位方向向量為u,A是直線l上的定點,P是直線l外一點,設=a,向量在直線l上的投影向量為=(a·u)u,則點P到直線l的距離為(如圖1).
圖1
(2)點P到平面α的距離:設平面α的法向量為n,A是平面α內的定點,P是平面α外一點,則點P到平面α的距離為(如圖2).
圖2
例3 已知四邊形ABCD是邊長為4的正方形,E,F分別是AB,AD的中點,CG垂直于正方形ABCD所在的平面,且CG=2,求點B到平面EFG的距離.
解 以C為坐標原點,CB,CD,CG所在直線分別為x軸、y軸、z軸,建立如圖所示的空間直角坐標系Cxyz.
由題意可知G(0,0,2),E(4,-2,0),F(2,-4,0),B(4,0,0),
∴=(4,-2,-2),=(2,-4,-2),=(0,-2,0).
設平面EFG的法向量為n=(x,y,z).
由得
∴令y=1,則n=(-1,1,-3),
故點B到平面EFG的距離為
d===.
訓練3 (多選)已知正方體ABCD A1B1C1D1的棱長為1,E,O分別是A1B1,A1C1的中點,點P在正方體內部且滿足=++,則下列說法正確的是(  )
A.點A到直線BE的距離是
B.點O到平面ABC1D1的距離為
C.平面A1BD與平面B1CD1間的距離為
D.點P到直線AB的距離為
答案 BC
解析 如圖,建立空間直角坐標系,
則A(0,0,0),B(1,0,0),D(0,1,0),A1(0,0,1),C1(1,1,1),
D1(0,1,1),E,O,
所以=(-1,0,0),=.
設∠ABE=θ,則cos θ==,
所以sin θ==,
故點A到直線BE的距離d1=||sin θ=,故A錯誤.
易知=,平面ABC1D1的一個法向量為=(0,-1,1),
則點O到平面ABC1D1的距離
d2===,故B正確.
=(1,0,-1),=(0,1,-1),=(0,1,0).
設平面A1BD的法向量為n=(x,y,z),
則所以
令z=1,得y=1,x=1,所以n=(1,1,1),
所以點D1到平面A1BD的距離
d3===.
因為平面A1BD∥平面B1CD1,
所以平面A1BD與平面B1CD1間的距離等于點D1到平面A1BD的距離,
所以平面A1BD與平面B1CD1間的距離為,故C正確.
因為=++,
所以=.
又=(1,0,0),所以=,
所以點P到直線AB的距離
d4===,故D錯誤.故選BC.
四、利用空間向量求空間角
空間中三種角的計算公式
(1)兩條異面直線所成的角θ:cos θ=|cos〈u,ν〉|==(其中u,v分別是兩異面直線的方向向量).
(2)直線和平面所成的角θ:sin θ=|cos〈u,n〉|==(其中u是直線的方向向量,n是平面的法向量).
(3)兩個平面的夾角θ:cos θ=|cos〈n1,n2〉|==(其中n1,n2分別是兩平面的法向量).
例4 如圖所示,在長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=5,AD=8,AA1=4,M為B1C1上一點且B1M=2,點N在線段A1D上,A1D⊥AN.
(1)求cos〈,〉;
(2)求直線AD與平面ANM所成角的正弦值;
(3)求平面ANM與平面ABCD夾角的余弦值.
解 建立空間直角坐標系,如圖所示,
則A(0,0,0),A1(0,0,4),M(5,2,4),D(0,8,0).
(1)∵=(5,2,4),=(0,8,-4),
∴·=0+16-16=0,
∴⊥.∴cos〈,〉=0.
(2)由(1)知A1D⊥AM,
又A1D⊥AN,AM∩AN=A,AM,AN 平面AMN,
∴A1D⊥平面AMN,
∴=(0,8,-4)是平面ANM的一個法向量.
又=(0,8,0),||=4,||=8,
·=64,
∴cos〈,〉===,
∴AD與平面ANM所成角的正弦值為.
(3)由(2)知平面ANM的一個法向量是=(0,8,-4),
又平面ABCD的一個法向量是a=(0,0,1),
∴cos〈,a〉===-,
∴平面ANM與平面ABCD夾角的余弦值為.
訓練4 如圖,AE⊥平面ABCD,CF∥AE,AD∥BC,AD⊥AB,AB=AD=1,AE=BC=2.
(1)求證:BF∥平面ADE;
(2)求直線CE與平面BDE所成角的正弦值;
(3)若平面EBD與平面FBD夾角的余弦值為,求線段CF的長.
解 依題意,建立以A為原點,分別以,,的方向為x軸,y軸,z軸正方向的空間直角坐標系(如圖),
可得A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,2,0),D(0,1,0),E(0,0,2).
設CF=h(h>0),則F(1,2,h).
(1)證明 依題意,=(1,0,0)是平面ADE的法向量,又=(0,2,h),可得·=0,
又因為直線BF 平面ADE,
所以BF∥平面ADE.
(2)依題意,=(-1,1,0),=(-1,0,2),=(-1,-2,2).
設n=(x,y,z)為平面BDE的法向量,
則即
不妨令z=1,可得n=(2,2,1).
因此有cos〈,n〉==-.
所以直線CE與平面BDE所成角的正弦值為.
(3)設m=(x1,y1,z1)為平面BDF的法向量,


不妨令y1=1,可得m=.
由題意,有|cos〈m,n〉|=
==,
解得h=.經檢驗,符合題意.
所以,線段CF的長為.一、空間向量的概念及運算
空間向量可以看作是平面向量的推廣,有許多概念和運算與平面向量是相同的,如模、零向量、單位向量、相等向量、相反向量等概念,加減法的三角形法則和平行四邊形法則,數乘運算與向量共線的判斷、數量積運算、夾角公式、求模公式等等.
例1 (1)如圖所示,在平行六面體ABCD-A1B1C1D1中,=a,=b,=c.M是C1D1的中點,點N是CA1上的點,且CN∶NA1=4∶1.用a,b,c表示以下向量:
①;②.
                                    
                                    
                                    
                                    
(2)如圖所示,在平行六面體ABCD-A1B1C1D1中,以頂點A為端點的三條棱長都為1,且兩兩夾角為60°.
①求的長;②求與夾角的余弦值.
                                    
                                    
                                    
訓練1 (多選)如圖,在四棱錐S-ABCD中,底面ABCD是邊長為1的正方形,S到A,B,C,D的距離都等于2.以下結論正確的是(  )
A.+++=0
B.(-)·(-)=0
C.-+-=0
D.·=·
二、利用空間向量證明線面位置關系
用空間向量判斷空間中線、面位置關系的類型與方法總結:
(1)線線平行:證明兩條直線平行,只需證明兩條直線的方向向量是共線向量.
(2)線線垂直:證明兩條直線垂直,只需證明兩條直線的方向向量垂直.
(3)線面平行:用向量證明線面平行的方法主要有:①證明直線的方向向量與平面的法向量垂直;②證明可在平面內找到一個向量與直線的方向向量是共線向量.
(4)線面垂直:用向量證明線面垂直的方法主要有:①證明直線的方向向量與平面的法向量平行;②利用線面垂直的判定定理轉化為線線垂直問題.
(5)面面平行:①證明兩個平面的法向量平行(即是共線向量);②轉化為線面平行、線線平行問題.
(6)面面垂直:①證明兩個平面的法向量互相垂直;②轉化為線面垂直、線線垂直問題.
例2 在四棱錐P-ABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M為PC的中點.
(1)求證:BM∥平面PAD;
(2)平面PAD內是否存在一點N,使MN⊥平面PBD?若存在,確定N的位置;若不存在,說明理由.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
訓練2 如圖所示,已知四棱錐P-ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,側面PBC⊥底面ABCD.證明:
(1)PA⊥BD;
(2)平面PAD⊥平面PAB.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
三、利用空間向量求距離
空間中兩種距離的計算公式
(1)點P到直線l的距離:已知直線l的單位方向向量為u,A是直線l上的定點,P是直線l外一點,設=a,向量在直線l上的投影向量為=(a·u)u,則點P到直線l的距離為(如圖1).
圖1
(2)點P到平面α的距離:設平面α的法向量為n,A是平面α內的定點,P是平面α外一點,則點P到平面α的距離為(如圖2).
圖2
例3 已知四邊形ABCD是邊長為4的正方形,E,F分別是AB,AD的中點,CG垂直于正方形ABCD所在的平面,且CG=2,求點B到平面EFG的距離.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
訓練3 (多選)已知正方體ABCD A1B1C1D1的棱長為1,E,O分別是A1B1,A1C1的中點,點P在正方體內部且滿足=++,則下列說法正確的是(  )
A.點A到直線BE的距離是
B.點O到平面ABC1D1的距離為
C.平面A1BD與平面B1CD1間的距離為
D.點P到直線AB的距離為
四、利用空間向量求空間角
空間中三種角的計算公式
(1)兩條異面直線所成的角θ:cos θ=|cos〈u,ν〉|==(其中u,v分別是兩異面直線的方向向量).
(2)直線和平面所成的角θ:sin θ=|cos〈u,n〉|==(其中u是直線的方向向量,n是平面的法向量).
(3)兩個平面的夾角θ:cos θ=|cos〈n1,n2〉|==(其中n1,n2分別是兩平面的法向量).
例4 如圖所示,在長方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=5,AD=8,AA1=4,M為B1C1上一點且B1M=2,點N在線段A1D上,A1D⊥AN.
(1)求cos〈,〉;
(2)求直線AD與平面ANM所成角的正弦值;
(3)求平面ANM與平面ABCD夾角的余弦值.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
訓練4 如圖,AE⊥平面ABCD,CF∥AE,AD∥BC,AD⊥AB,AB=AD=1,AE=BC=2.
(1)求證:BF∥平面ADE;
(2)求直線CE與平面BDE所成角的正弦值;
(3)若平面EBD與平面FBD夾角的余弦值為,求線段CF的長.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
:完成《測評卷》章末檢測卷(一)

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