第一章 空间向量与立体几何 章末复习提升(课件+教案+学案三份打包)高中数学人教A版选择性必修第一册

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第一章 空间向量与立体几何 章末复习提升(课件+教案+学案三份打包)高中数学人教A版选择性必修第一册

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第一章
章末复习提升
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空间向量可以看作是平面向量的推广,有许多概念和运算与平面向量是相同的,如模、零向量、单位向量、相等向量、相反向量等概念,加减法的三角形法则和平行四边形法则,数乘运算与向量共线的判断、数量积运算、夹角公式、求模公式等等.
一、空间向量的概念及运算
例1
(2)如图所示,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,以顶点A为端点的三条棱长都为1,且两两夹角为60°.
(多选)如图,在四棱锥S-ABCD中,底面ABCD是边长为1的正方形,S到A,B,C,D的距离都等于2.以下结论正确的是
训练1



用空间向量判断空间中线、面位置关系的类型与方法总结:
(1)线线平行:证明两条直线平行,只需证明两条直线的方向向量是共线向量.
(2)线线垂直:证明两条直线垂直,只需证明两条直线的方向向量垂直.
(3)线面平行:用向量证明线面平行的方法主要有:①证明直线的方向向量与平面的法向量垂直;②证明可在平面内找到一个向量与直线的方向向量是共线向量.
(4)线面垂直:用向量证明线面垂直的方法主要有:①证明直线的方向向量与平面的法向量平行;②利用线面垂直的判定定理转化为线线垂直问题.
(5)面面平行:①证明两个平面的法向量平行(即是共线向量);②转化为线面平行、线线平行问题.
(6)面面垂直:①证明两个平面的法向量互相垂直;②转化为线面垂直、线线垂直问题.
二、利用空间向量证明线面位置关系
例2
在四棱锥P-ABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M为PC的中点.
(1)求证:BM∥平面PAD;
如图,以A为原点,以AB,AD,AP分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系,则B(1,0,0),D(0,2,0),
P(0,0,2),C(2,2,0),M(1,1,1).
(2)平面PAD内是否存在一点N,使MN⊥平面PBD?若存在,确定N的位置;若不存在,说明理由.
如图所示,已知四棱锥P-ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,侧面PBC⊥底面ABCD.证明:
训练2
(1)PA⊥BD;
取BC的中点O,连接PO,
∵平面PBC⊥底面ABCD,△PBC为等边三角形,
平面PBC∩底面ABCD=BC,PO?平面PBC,
∴PO⊥底面ABCD.
(2)平面PAD⊥平面PAB.
三、利用空间向量求距离
空间中两种距离的计算公式
图1
图2
例3
已知四边形ABCD是边长为4的正方形,E,F分别是AB,AD的中点,CG垂直于正方形ABCD所在的平面,且CG=2,求点B到平面EFG的距离.
以C为坐标原点,CB,CD,CG所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz.
由题意可知G(0,0,2),E(4,-2,0),F(2,-4,0),
B(4,0,0),
设平面EFG的法向量为n=(x,y,z).
训练3


四、利用空间向量求空间角
空间中三种角的计算公式
例4
如图所示,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=5,AD=8,AA1=4,M为B1C1上一点且B1M=2,点N在线段A1D上,A1D⊥AN.
建立空间直角坐标系,如图所示,
则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与平面ABCD夹角的余弦值.
训练4
(1)求证:BF∥平面ADE;
(2)求直线CE与平面BDE所成角的正弦值;  
一、空间向量的概念及运算
空间向量可以看作是平面向量的推广,有许多概念和运算与平面向量是相同的,如模、零向量、单位向量、相等向量、相反向量等概念,加减法的三角形法则和平行四边形法则,数乘运算与向量共线的判断、数量积运算、夹角公式、求模公式等等.
例1 (1)如图所示,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,=a,=b,=c.M是C1D1的中点,点N是CA1上的点,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)如图所示,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,以顶点A为端点的三条棱长都为1,且两两夹角为60°.
①求的长;
②求与夹角的余弦值.
解 记=a,=b,=c,
则|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〈,〉==.
训练1 (多选)如图,在四棱锥S-ABCD中,底面ABCD是边长为1的正方形,S到A,B,C,D的距离都等于2.以下结论正确的是(  )
A.+++=0
B.(-)·(-)=0
C.-+-=0
D.·=·
答案 BCD
解析 可以推出:(-)·(-)=·=0,
所以B正确;
-+-=+=0,
所以C正确;
又因为底面ABCD是边长为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正确.
二、利用空间向量证明线面位置关系
用空间向量判断空间中线、面位置关系的类型与方法总结:
(1)线线平行:证明两条直线平行,只需证明两条直线的方向向量是共线向量.
(2)线线垂直:证明两条直线垂直,只需证明两条直线的方向向量垂直.
(3)线面平行:用向量证明线面平行的方法主要有:①证明直线的方向向量与平面的法向量垂直;②证明可在平面内找到一个向量与直线的方向向量是共线向量.
(4)线面垂直:用向量证明线面垂直的方法主要有:①证明直线的方向向量与平面的法向量平行;②利用线面垂直的判定定理转化为线线垂直问题.
(5)面面平行:①证明两个平面的法向量平行(即是共线向量);②转化为线面平行、线线平行问题.
(6)面面垂直:①证明两个平面的法向量互相垂直;②转化为线面垂直、线线垂直问题.
例2 在四棱锥P-ABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M为PC的中点.
(1)求证:BM∥平面PAD;
(2)平面PAD内是否存在一点N,使MN⊥平面PBD?若存在,确定N的位置;若不存在,说明理由.
解 如图,以A为原点,以AB,AD,AP分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系,
则B(1,0,0),D(0,2,0),P(0,0,2),C(2,2,0),M(1,1,1).
(1)证明 ∵=(0,1,1),平面PAD的一个法向量为n=(1,0,0),
∴·n=0,即⊥n,
又BM 平面PAD,∴BM∥平面PAD.
(2)=(-1,2,0),=(1,0,-2).
假设平面PAD内存在一点N,使MN⊥平面PBD.
设N(0,y,z),则=(-1,y-1,z-1),
从而MN⊥BD,MN⊥PB,


∴∴N,
∴ 在平面PAD内存在一点N,
使MN⊥平面PBD.
训练2 如图所示,已知四棱锥P-ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,侧面PBC⊥底面ABCD.证明:
(1)PA⊥BD;
(2)平面PAD⊥平面PAB.
证明 (1)取BC的中点O,连接PO,
∵平面PBC⊥底面ABCD,△PBC为等边三角形,
平面PBC∩底面ABCD=BC,PO 平面PBC,
∴PO⊥底面ABCD.
以BC的中点O为坐标原点,以BC所在直线为x轴,过点O与AB平行的直线为y轴,OP所在直线为z轴,建立空间直角坐标系,如图所示.
不妨设CD=1,则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的中点M,连接DM,则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、利用空间向量求距离
空间中两种距离的计算公式
(1)点P到直线l的距离:已知直线l的单位方向向量为u,A是直线l上的定点,P是直线l外一点,设=a,向量在直线l上的投影向量为=(a·u)u,则点P到直线l的距离为(如图1).
图1
(2)点P到平面α的距离:设平面α的法向量为n,A是平面α内的定点,P是平面α外一点,则点P到平面α的距离为(如图2).
图2
例3 已知四边形ABCD是边长为4的正方形,E,F分别是AB,AD的中点,CG垂直于正方形ABCD所在的平面,且CG=2,求点B到平面EFG的距离.
解 以C为坐标原点,CB,CD,CG所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系Cxyz.
由题意可知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).
设平面EFG的法向量为n=(x,y,z).
由得
∴令y=1,则n=(-1,1,-3),
故点B到平面EFG的距离为
d===.
训练3 (多选)已知正方体ABCD A1B1C1D1的棱长为1,E,O分别是A1B1,A1C1的中点,点P在正方体内部且满足=++,则下列说法正确的是(  )
A.点A到直线BE的距离是
B.点O到平面ABC1D1的距离为
C.平面A1BD与平面B1CD1间的距离为
D.点P到直线AB的距离为
答案 BC
解析 如图,建立空间直角坐标系,
则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),=.
设∠ABE=θ,则cos θ==,
所以sin θ==,
故点A到直线BE的距离d1=||sin θ=,故A错误.
易知=,平面ABC1D1的一个法向量为=(0,-1,1),
则点O到平面ABC1D1的距离
d2===,故B正确.
=(1,0,-1),=(0,1,-1),=(0,1,0).
设平面A1BD的法向量为n=(x,y,z),
则所以
令z=1,得y=1,x=1,所以n=(1,1,1),
所以点D1到平面A1BD的距离
d3===.
因为平面A1BD∥平面B1CD1,
所以平面A1BD与平面B1CD1间的距离等于点D1到平面A1BD的距离,
所以平面A1BD与平面B1CD1间的距离为,故C正确.
因为=++,
所以=.
又=(1,0,0),所以=,
所以点P到直线AB的距离
d4===,故D错误.故选BC.
四、利用空间向量求空间角
空间中三种角的计算公式
(1)两条异面直线所成的角θ:cos θ=|cos〈u,ν〉|==(其中u,v分别是两异面直线的方向向量).
(2)直线和平面所成的角θ:sin θ=|cos〈u,n〉|==(其中u是直线的方向向量,n是平面的法向量).
(3)两个平面的夹角θ:cos θ=|cos〈n1,n2〉|==(其中n1,n2分别是两平面的法向量).
例4 如图所示,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=5,AD=8,AA1=4,M为B1C1上一点且B1M=2,点N在线段A1D上,A1D⊥AN.
(1)求cos〈,〉;
(2)求直线AD与平面ANM所成角的正弦值;
(3)求平面ANM与平面ABCD夹角的余弦值.
解 建立空间直角坐标系,如图所示,
则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的一个法向量.
又=(0,8,0),||=4,||=8,
·=64,
∴cos〈,〉===,
∴AD与平面ANM所成角的正弦值为.
(3)由(2)知平面ANM的一个法向量是=(0,8,-4),
又平面ABCD的一个法向量是a=(0,0,1),
∴cos〈,a〉===-,
∴平面ANM与平面ABCD夹角的余弦值为.
训练4 如图,AE⊥平面ABCD,CF∥AE,AD∥BC,AD⊥AB,AB=AD=1,AE=BC=2.
(1)求证:BF∥平面ADE;
(2)求直线CE与平面BDE所成角的正弦值;
(3)若平面EBD与平面FBD夹角的余弦值为,求线段CF的长.
解 依题意,建立以A为原点,分别以,,的方向为x轴,y轴,z轴正方向的空间直角坐标系(如图),
可得A(0,0,0),B(1,0,0),C(1,2,0),D(0,1,0),E(0,0,2).
设CF=h(h>0),则F(1,2,h).
(1)证明 依题意,=(1,0,0)是平面ADE的法向量,又=(0,2,h),可得·=0,
又因为直线BF 平面ADE,
所以BF∥平面ADE.
(2)依题意,=(-1,1,0),=(-1,0,2),=(-1,-2,2).
设n=(x,y,z)为平面BDE的法向量,
则即
不妨令z=1,可得n=(2,2,1).
因此有cos〈,n〉==-.
所以直线CE与平面BDE所成角的正弦值为.
(3)设m=(x1,y1,z1)为平面BDF的法向量,


不妨令y1=1,可得m=.
由题意,有|cos〈m,n〉|=
==,
解得h=.经检验,符合题意.
所以,线段CF的长为.一、空间向量的概念及运算
空间向量可以看作是平面向量的推广,有许多概念和运算与平面向量是相同的,如模、零向量、单位向量、相等向量、相反向量等概念,加减法的三角形法则和平行四边形法则,数乘运算与向量共线的判断、数量积运算、夹角公式、求模公式等等.
例1 (1)如图所示,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,=a,=b,=c.M是C1D1的中点,点N是CA1上的点,且CN∶NA1=4∶1.用a,b,c表示以下向量:
①;②.
                                    
                                    
                                    
                                    
(2)如图所示,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,以顶点A为端点的三条棱长都为1,且两两夹角为60°.
①求的长;②求与夹角的余弦值.
                                    
                                    
                                    
训练1 (多选)如图,在四棱锥S-ABCD中,底面ABCD是边长为1的正方形,S到A,B,C,D的距离都等于2.以下结论正确的是(  )
A.+++=0
B.(-)·(-)=0
C.-+-=0
D.·=·
二、利用空间向量证明线面位置关系
用空间向量判断空间中线、面位置关系的类型与方法总结:
(1)线线平行:证明两条直线平行,只需证明两条直线的方向向量是共线向量.
(2)线线垂直:证明两条直线垂直,只需证明两条直线的方向向量垂直.
(3)线面平行:用向量证明线面平行的方法主要有:①证明直线的方向向量与平面的法向量垂直;②证明可在平面内找到一个向量与直线的方向向量是共线向量.
(4)线面垂直:用向量证明线面垂直的方法主要有:①证明直线的方向向量与平面的法向量平行;②利用线面垂直的判定定理转化为线线垂直问题.
(5)面面平行:①证明两个平面的法向量平行(即是共线向量);②转化为线面平行、线线平行问题.
(6)面面垂直:①证明两个平面的法向量互相垂直;②转化为线面垂直、线线垂直问题.
例2 在四棱锥P-ABCD中,AB⊥AD,CD⊥AD,PA⊥底面ABCD,PA=AD=CD=2AB=2,M为PC的中点.
(1)求证:BM∥平面PAD;
(2)平面PAD内是否存在一点N,使MN⊥平面PBD?若存在,确定N的位置;若不存在,说明理由.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
训练2 如图所示,已知四棱锥P-ABCD的底面是直角梯形,∠ABC=∠BCD=90°,AB=BC=PB=PC=2CD,侧面PBC⊥底面ABCD.证明:
(1)PA⊥BD;
(2)平面PAD⊥平面PAB.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
三、利用空间向量求距离
空间中两种距离的计算公式
(1)点P到直线l的距离:已知直线l的单位方向向量为u,A是直线l上的定点,P是直线l外一点,设=a,向量在直线l上的投影向量为=(a·u)u,则点P到直线l的距离为(如图1).
图1
(2)点P到平面α的距离:设平面α的法向量为n,A是平面α内的定点,P是平面α外一点,则点P到平面α的距离为(如图2).
图2
例3 已知四边形ABCD是边长为4的正方形,E,F分别是AB,AD的中点,CG垂直于正方形ABCD所在的平面,且CG=2,求点B到平面EFG的距离.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
训练3 (多选)已知正方体ABCD A1B1C1D1的棱长为1,E,O分别是A1B1,A1C1的中点,点P在正方体内部且满足=++,则下列说法正确的是(  )
A.点A到直线BE的距离是
B.点O到平面ABC1D1的距离为
C.平面A1BD与平面B1CD1间的距离为
D.点P到直线AB的距离为
四、利用空间向量求空间角
空间中三种角的计算公式
(1)两条异面直线所成的角θ:cos θ=|cos〈u,ν〉|==(其中u,v分别是两异面直线的方向向量).
(2)直线和平面所成的角θ:sin θ=|cos〈u,n〉|==(其中u是直线的方向向量,n是平面的法向量).
(3)两个平面的夹角θ:cos θ=|cos〈n1,n2〉|==(其中n1,n2分别是两平面的法向量).
例4 如图所示,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=5,AD=8,AA1=4,M为B1C1上一点且B1M=2,点N在线段A1D上,A1D⊥AN.
(1)求cos〈,〉;
(2)求直线AD与平面ANM所成角的正弦值;
(3)求平面ANM与平面ABCD夹角的余弦值.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
训练4 如图,AE⊥平面ABCD,CF∥AE,AD∥BC,AD⊥AB,AB=AD=1,AE=BC=2.
(1)求证:BF∥平面ADE;
(2)求直线CE与平面BDE所成角的正弦值;
(3)若平面EBD与平面FBD夹角的余弦值为,求线段CF的长.
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
                                    
:完成《测评卷》章末检测卷(一)

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