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1、第三讲用空间向量的方法解立体几何问题一、主干知识空间直线、平面间的平行、垂直的向量表示:设直线l,m的方向向量分别为a=(a1,b1,c1),b=(a2,b2,c2).平面α,β的法向量分别为=(a3,b3,c3),=(a4,b4,c4).(1)线线平行:l∥m⇔a∥b⇔a=kb⇔___________________.(2)线线垂直:l⊥m⇔a⊥b⇔a·b=__⇔_______________.(3)线面平行:l∥α⇔a⊥⇔a·=__⇔_______________.a1=ka2,b1=kb2,c1=kc20a1a2+b1b2+c1c2=00
2、a1a3+b1b3+c1c3=0(4)线面垂直:l⊥α⇔a∥⇔a=k⇔___________________.(5)面面平行:α∥β⇔∥⇔=k⇔___________________.(6)面面垂直:α⊥β⇔⊥⇔·=__⇔_______________.a1=ka3,b1=kb3,c1=kc3a3=ka4,b3=kb4,c3=kc40a3a4+b3b4+c3c4=0二、必记公式1.异面直线所成的角:设a,b分别为异面直线a,b的方向向量,则两异面直线所成的角满足cosθ=_______.2.线面角:设l是斜线l的方向向量,n是平面α的法向量,则
3、斜线l与平面α所成的角满足sinθ=________.3.二面角:(1)如图①,AB,CD是二面角α-l-β的两个半平面内与棱l垂直的直线,则二面角的大小θ=________.(2)如图②③,n1,n2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满足cosθ=_______________________.-cos或cos1.(2013·金华模拟)已知正三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱长与底面边长相等,则AB1与侧面ACC1A1所成角的正弦值等于()【解析】选A.建立如图所示空间直角坐标系,设正
4、三棱柱的棱长为2,A(0,-1,0),B1(0,2),则=(1,2),O(0,0,0),B(0,0),则=(0,0)为侧面ACC1A1的法向量,sinθ=2.(2013·揭阳模拟)过正方形ABCD的顶点A,引PA⊥平面ABCD.若PA=BA,则平面ABP和平面CDP所成的二面角的大小是()A.30°B.45°C.60°D.90°【解析】选B.建立如图所示的空间直角坐标系,不难求出平面APB与平面PCD的法向量n1=(0,1,0),n2=(0,1,1),故平面ABP与平面CDP所成二面角(锐角)的余弦值为故所求的二面角的大小是45°.3.(201
5、3·佛山模拟)已知ABCD-A1B1C1D1为正方体,③向量与向量的夹角是60°;④正方体ABCD-A1B1C1D1的体积为其中正确命题的序号是________.【解析】设正方体的棱长为1,①中故①正确;②中由于AB1⊥A1C,故②正确;③中A1B与AD1两异面直线所成的角为60°,但与的夹角为120°,故③不正确;④中=0,故④也不正确.答案:①②4.(2013·福州模拟)直三棱柱ABC-A1B1C1中,∠ACB=90°,∠BAC=30°,BC=1,AA1=M是CC1的中点,则异面直线AB1与A1M所成的角为______.【解析】建立空间直角
6、坐标系如图所示,易得M(0,0,),A1(0,0),A(0,),B1(1,0,0),所以所以=1×0+3-=0,所以即AB1⊥A1M.答案:90°热点考向1利用空间向量求线线角、线面角【典例1】(2013·郑州模拟)如图,已知点P在正方体ABCD-A′B′C′D′的对角线BD′上,∠PDA=60°.(1)求DP与CC′所成角的大小.(2)求DP与平面AA′D′D所成角的大小.【解题探究】(1)解答本题直接求的坐标不易求,应如何转化?提示:延长DP交B′D′于H,转化为求DH与CC′所成的角.(2)直线CC′的方向向量与平面AA′D′D的法向量能
7、直接确定坐标吗?提示:能直接确定,以D为原点,DA所在直线为x轴建立空间直角坐标系后,设正方体棱长为1,直线CC′的方向向量为=(0,0,1),平面AA′D′D的一个法向量是=(0,1,0).【解析】如图,以D为原点,DA所在直线为x轴,建立空间直角坐标系D-xyz,设正方体棱长为1,则=(1,0,0),=(0,0,1).连接BD,B′D′,在平面BB′D′D中,延长DP交B′D′于H.设=(m,m,1)(m>0),由已知〈〉=60°,由可得2m=解得m=所以DH=(1)因为所以〈〉=45°.即DP与CC′所成的角为45°.(2)平面AA′D′
8、D的一个法向量是=(0,1,0).因为所以〈〉=60°.可得DP与平面AA′D′D所成的角为30°.【方法总结】1.利用空间向量求空间角的一般步骤(1