1.2 空间两点间的距离公式(课件+学案+练习,共3份) 北师大版(2019)选择性必修 第一册 第三章

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1.2 空间两点间的距离公式(课件+学案+练习,共3份) 北师大版(2019)选择性必修 第一册 第三章

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1.2 空间两点间的距离公式
课标要求 1.了解空间中点坐标公式. 2.掌握并能推导空间两点间的距离公式.
3.能够运用空间两点间的距离公式解决有关问题.
【引入】 距离是几何中的基本度量,在平面解析几何中,已知P1(x1,y1),P2(x2,y2),则线段P1P2的中点P0(x0,y0)的坐标为长度为|P1P2|=,那么在空间直角坐标系中,已知P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),线段P1P2的中点坐标和长度又如何求呢
一、空间中点坐标公式
探究1 方程x2+y2+z2=1表示以原点为球心,1为半径长的一个球面(如图),写出它与x轴的交点A1,A2的坐标,A1,A2与球心O它们的坐标有什么关系






【知识梳理】
已知空间中两点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),则线段AB的中点P的坐标为
.
温馨提示 若点P1关于点P0的对称点为点P2,则P0为P1P2的中点.
                
例1 (1)空间直角坐标系中,已知点P(2,-1,3),M(-1,2,3),若PQ的中点为M,则点Q的坐标为 (  )
A.(4,1,1) B.(-4,5,3)
C.(4,-3,1) D.(-5,3,4)
(2)如图,在长方体OABC-O'A'B'C'中,以O为坐标原点,OA,OC,OO'所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系,|OA|=2,|AB|=3,|AA'|=2,M是OB'与BO'的交点,则点M的坐标为    .




思维升华 在空间中,运用中点坐标公式可以解决一些难以直接求出的点的坐标确定问题.
训练1 (1)在空间直角坐标系中,点P(-2,1,4)关于点M(2,-1,-4)对称的点Q的坐标是 (  )
A.(0,0,0) B.(2,-1,-4)
C.(6,-3,-12) D.(-2,3,12)
(2)已知四边形ABCD为平行四边形,且A(4,1,3),B(2,-5,1),C(3,7,-5),则点D的坐标为 (  )
A. B.(2,3,1)
C.(-3,1,5) D.(5,13,-3)



二、空间两点间的距离公式
探究2 在空间直角坐标系中,点O(0,0,0)到点P(x0,y0,z0)的距离怎么求


探究3 空间任意两点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2)间的距离怎么求


【知识梳理】
已知空间中P(x1,y1,z1),Q(x2,y2,z2)两点,则P,Q两点间的距离为|PQ|=        .
温馨提示 公式特征:同名坐标差的平方和的算术平方根.
例2 (链接教材P97习题3-1B组T1)如图,正方体OABC-D'A'B'C'的棱长为a,|AN|=2|CN|,|BM|=2|MC'|.求|MN|的长.






思维升华 1.求空间两点间的距离问题就是把点的坐标代入距离公式进行计算,其中确定点的坐标或合理设出点的坐标是关键.
2.若所给题目中未建立坐标系,需结合已知条件建立适当的坐标系,再利用空间两点间的距离公式计算.
训练2 已知△ABC的三个顶点A(1,5,2),B(2,3,4),C(3,1,5).
(1)求△ABC中最短边的边长;
(2)求AC边上中线的长度.






三、利用距离公式求空间点的坐标或参数
例3 (链接教材P97习题3-1A组T6)在空间直角坐标系中,已知A(3,0,1),B(1,0,-3),在y轴上是否存在点M,使△MAB为等边三角形 若存在,求出点M的坐标;若不存在,说明理由.






思维升华 由空间两点间距离公式求点的坐标的方法
(1)若已知点到定点的距离以及点在特殊位置,则可直接设出该点坐标,利用待定系数法求解点的坐标.
(2)若已知一点到两个定点的距离之间的关系,以及其他的一些条件,则可以列出关于点的坐标的方程进行求解.
训练3 (1)在空间直角坐标系中,设A(1,2,a),B(2,3,4),若|AB|=,则实数a的值是 (  )
A.3或5 B.-3或-5
C.3或-5 D.-3或5
(2)设点P在x轴上,它到点P1(0,,3)的距离是到点P2(0,1,-1)的距离的2倍,则点P的坐标为    .




四、空间距离的最值
例4 如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=AD=2,AA1=3,M,N分别是AB,B1C1的中点,点P是DM上的点,DP=a,当a为何值时,NP的长最小






思维升华 空间距离的最值问题常用函数方法求解.
训练4 如图,在棱长为1的正方体B1C1D1中,以正方体的三条棱所在直线为轴建立空间直角坐标系O-xyz.
(1)若点P在线段BD1上,且满足3|BP|=|BD1|,试写出点P的坐标,并写出P关于y轴的对称点P'的坐标;
(2)在线段C1D上找一点M,使得点M到点P的距离最小,求出点M的坐标.






【课堂达标】
1.已知A(-1,2,7),B(-3,-10,-9),则线段AB的中点关于原点对称的点的坐标是 (  )
A.(4,8,2) B.(4,2,8)
C.(4,2,1) D.(2,4,1)
2.空间直角坐标系中,点A(-3,4,0)和点B(2,-1,6)的距离是 (  )
A.2 B.2
C.9 D.
3.已知点A(x,1,2)和点B(2,3,4),且|AB|=2,则实数x的值是    .
4.已知点A(1,a,-5),B(2a,-7,-2),则|AB|的最小值为    .
1.2 空间两点间的距离公式
探究1 提示 A1(1,0,0),A2(-1,0,0).球心O的横、纵、竖坐标分别等于A1,A2横、纵、竖坐标和的一半.
例1 (1)B (2) [(1)设点Q的坐标为(a,b,c),
则∴点Q的坐标为(-4,5,3).故选B.
(2)因为几何体OABC-O'A'B'C'是长方体,所以OB'与BO'是体对角线,故M是体对角线的交点,所以M是OB'的中点,因为|OA|=2,|AB|=3,|AA'|=2,所以B'(2,3,2),又O(0,0,0),所以M.]
训练1 (1)C (2)D [(1)根据题意知,M为线段PQ的中点,设Q(x,y,z),由中点坐标公式,可得x=2×2-(-2)=6,y=2×(-1)-1=-3,z=2×(-4)-4=-12,∴Q(6,-3,-12).故选C.
(2)连接AC,BD交于点P(图略),则P为AC与BD的中点,由A,C两点坐标求得中点P,再由B(2,-5,1),求得点D的坐标为(5,13,-3).]
探究2 提示 如图,
|OP|=,
|OA|=|x0|,|OB|=|y0|,|OC|=|z0|,
|OP|=.
探究3 提示 作长方体使A,B为其体对角线的顶点,长方体的棱都平行于坐标轴,
由已知得,C(x2,y1,z1),D(x2,y2,z1),
|AB|=,
|AC|=|x1-x2|,|CD|=|y1-y2|,
|DB|=|z1-z2|,
|AB|=.
知识梳理
 
例2 解 建立如图所示的空间直角坐标系.
过点M作MF垂直于BC于点F,连接NF,
显然MF垂直于平面ABCO,
所以MF⊥NF,
因为|BM|=2|MC'|,
所以|BF|=2|FC|,
又|AN|=2|CN|,
所以NF∥AB,
所以|NF|=|FC|=,
同理|MF|=,
因此,点N的坐标为,点M的坐标为,
于是|MN|==.
训练2 解 (1)由空间两点间距离公式得
|AB|==3,
|BC|=,
|AC|=,
∴△ABC中最短边是BC,其长度为.
(2)由中点坐标公式得,AC的中点坐标为,
∴AC边上中线的长度为.
例3 解 假设在y轴上存在点M(0,y,0),使△MAB为等边三角形.
由题意可知y轴上的所有点都能使|MA|=|MB|成立,
所以只要再满足|MA|=|AB|,就可以使△MAB为等边三角形.
因为|MA|=,
|AB|=2,解得y=±.
故y轴上存在点M,使△MAB为等边三角形,此时点M的坐标为(0,,0)或(0,-,0).
训练3 (1)A (2)(1,0,0)或(-1,0,0) [(1)由已知得,
解得a=3或a=5.
(2)因为P在x轴上,所以设P点坐标为(x,0,0),
因为|PP1|=2|PP2|,
所以
=2
所以x=±1,
所以点P坐标为(1,0,0)或(-1,0,0).]
例4 解 如图,以点D为原点,以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.
则D(0,0,0),N(1,2,3),
设点P的坐标为(x,y,0),
则x=2y(0≤y≤1).
|NP|=
=
=
=,
所以当y=时,|NP|取最小值,此时a=,所以当a=时,NP的长最小.
训练4 解 (1)由题意知P的坐标为.
P关于y轴的对称点P'的坐标为.
(2)设线段C1D上一点M的坐标为(0,m,m),则有
|MP|=
=,
当m=时|MP|取到最小值,
所以点M的坐标为.
课堂达标
1.D 2.D 3.-2或6 4.3 (共59张PPT)
第三章 §1 空间直角坐标系
1.2 空间两点间的距离公式
课标要求
1.了解空间中点坐标公式.
2.掌握并能推导空间两点间的距离公式.
3.能够运用空间两点间的距离公式解决有关问题.
引入
课时精练
一、空间中点坐标公式
二、空间两点间的距离公式
三、利用距离公式求空间点的坐标或参数
课堂达标
内容索引
四、空间距离的最值
空间中点坐标公式

探究1 方程x2+y2+z2=1表示以原点为球心,1为半径长的一个球面(如图),写出它与x轴的交点A1,A2的坐标,A1,A2与球心O它们的坐标有什么关系?
提示 A1(1,0,0),A2(-1,0,0).球心O的横、纵、竖坐标分别等于A1,A2横、纵、竖坐标和的一半.
知识梳理
温馨提示
若点P1关于点P0的对称点为点P2,则P0为P1P2的中点.
例1

设点Q的坐标为(a,b,c),
(1)空间直角坐标系中,已知点P(2,-1,3),M(-1,2,3),若PQ的中点为M,则点Q的坐标为
A.(4,1,1) B.(-4,5,3)
C.(4,-3,1) D.(-5,3,4)
(2)如图,在长方体OABC-O′A′B′C′中,以O为坐标原点,OA,OC,OO′所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系,|OA|=2,|AB|=3,|AA′|=2,M是OB′与BO′的交点,则点M的坐标为___________.
在空间中,运用中点坐标公式可以解决一些难以直接求出的点的坐标确定问题.
思维升华
(1)在空间直角坐标系中,点P(-2,1,4)关于点M(2,-1,-4)对称的点Q的坐标是
A.(0,0,0) B.(2,-1,-4)
C.(6,-3,-12) D.(-2,3,12)
训练1

根据题意知,M为线段PQ的中点,设Q(x,y,z),由中点坐标公式,可得x=2×2-(-2)=6,y=2×(-1)-1=-3,z=2×(-4)-4=-12,∴Q(6,-3,-12).故选C.

空间两点间的距离公式

探究2 在空间直角坐标系中,点O(0,0,0)到点P(x0,y0,z0)的距离怎么求?
提示 如图,
探究3 空间任意两点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2)间的距离怎么求?
提示 作长方体使A,B为其体对角线的顶点,长方体的棱都平行于坐标轴,
由已知得,C(x2,y1,z1),D(x2,y2,z1),
|AC|=|x1-x2|,|CD|=|y1-y2|,
|DB|=|z1-z2|,
知识梳理
已知空间中P(x1,y1,z1),Q(x2,y2,z2)两点,则P,Q两点间的距离为|PQ|=___________________________________.
温馨提示
公式特征:同名坐标差的平方和的算术平方根.
例2
(链接教材P97习题3-1B组T1)如图,正方体OABC-D′A′B′C′的棱长为a,|AN|=2|CN|,|BM|=2|MC′|.求|MN|的长.
建立如图所示的空间直角坐标系.
过点M作MF垂直于BC于点F,连接NF,
显然MF垂直于平面ABCO,
所以MF⊥NF,
因为|BM|=2|MC′|,
所以|BF|=2|FC|,
又|AN|=2|CN|,
所以NF∥AB,
思维升华
1.求空间两点间的距离问题就是把点的坐标代入距离公式进行计算,其中确定点的坐标或合理设出点的坐标是关键.
2.若所给题目中未建立坐标系,需结合已知条件建立适当的坐标系,再利用空间两点间的距离公式计算.
已知△ABC的三个顶点A(1,5,2),B(2,3,4),C(3,1,5).
(1)求△ABC中最短边的边长;
(2)求AC边上中线的长度.
训练2
(1)由空间两点间距离公式得
利用距离公式求空间点的坐标或参数

例3
(链接教材P97习题3-1A组T6)在空间直角坐标系中,已知A(3,0,1),B(1,0,-3),在y轴上是否存在点M,使△MAB为等边三角形?若存在,求出点M的坐标;若不存在,说明理由.
假设在y轴上存在点M(0,y,0),使△MAB为等边三角形.
由题意可知y轴上的所有点都能使|MA|=|MB|成立,
所以只要再满足|MA|=|AB|,就可以使△MAB为等边三角形.
思维升华
由空间两点间距离公式求点的坐标的方法
(1)若已知点到定点的距离以及点在特殊位置,则可直接设出该点坐标,利用待定系数法求解点的坐标.
(2)若已知一点到两个定点的距离之间的关系,以及其他的一些条件,则可以列出关于点的坐标的方程进行求解.
训练3
(1)在空间直角坐标系中,设A(1,2,a),B(2,3,4),若|AB|=,则实数a的值是
A.3或5 B.-3或-5
C.3或-5 D.-3或5
由已知得

因为P在x轴上,
所以设P点坐标为(x,0,0),
因为|PP1|=2|PP2|,
所以x=±1,
所以点P坐标为(1,0,0)或(-1,0,0).
空间距离的最值

例4
在空间直角坐标系中,已知A(3,0,1),B(1,0,-3),在y轴上是否存在点M,使△MAB为如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=AD=2,AA1=3,M,N分别是AB,B1C1的中点,点P是DM上的点,DP=a,当a为何值时,NP的长最小?
如图,以点D为原点,以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.
则D(0,0,0),N(1,2,3),
设点P的坐标为(x,y,0),则x=2y(0≤y≤1).
思维升华
空间距离的最值问题常用函数方法求解.
训练4
如图,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,以正方体的三条棱所在直线为轴建立空间直角坐标系O-xyz.
(1)若点P在线段BD1上,且满足3|BP|=|BD1|,试写出点P的坐标,并写出P关于y轴的对称点P′的坐标;
(2)在线段C1D上找一点M,使得点M到点P的距离最小,求出点M的坐标.
设线段C1D上一点M的坐标为(0,m,m),
【课堂达标】
1.已知A(-1,2,7),B(-3,-10,-9),则线段AB的中点关于原点对称的点的坐标是
A.(4,8,2) B.(4,2,8) C.(4,2,1) D.(2,4,1)

由题意,得AB中点坐标为(-2,-4,-1),∴关于原点对称的点的坐标为(2,4,1).

-2或6
由空间两点间的距离公式得
4.已知点A(1,a,-5),B(2a,-7,-2),则|AB|的最小值为________.
【课时精练】


2.以棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1的棱AB,AD,AA1所在的直线为坐标轴,建立空间直角坐标系,如图所示,则正方形AA1B1B的对角线的交点坐标为

由距离公式得:
3.已知点A(1,-2,11),B(4,2,3),C(6,-1,4),△ABC的形状是
A.等腰三角形 B.等边三角形
C.直角三角形 D.等腰直角三角形
∴|AC|2+|BC|2=|AB|2,
∴△ABC为直角三角形.

由题意,点P(1,1,1)关于平面xOy的对称点为M(1,1,-1),

因为点B是平面xOy内的直线x+y=1上的动点,所以可设点B(m,1-m,0),
由空间两点间的距离公式,得|AB|=
∵P在z轴上,可设P(0,0,z),
6.已知A(1,-2,1),B(2,2,2),点P在z轴上,且|PA|=|PB|,则点P的坐标为___________.
7.已知三角形三个顶点为A(2,-1,4),B(3,2,-6),C(5,0,2),则过B点的中线长为________.
设AC的中点G,
2
由距离公式
8.在Rt△ABC中,∠BAC=90°,A(2,1,1),B(1,1,2),C(x,0,1),则x=________.
∵∠BAC=90°,
∴|BC|2=|AB|2+|AC|2,
∴(1-x)2+2=2+(2-x)2+1,解得x=2.
9.已知A(x,5-x,2x-1),B(1,x+2,2-x),求|AB|取最小值时A,B两点的坐标,并求此时的|AB|.
由空间两点的距离公式得|AB|=
10.已知A(3,3,1),B(1,0,5),求:
(1)线段AB的中点坐标及|AB|的长度;
设M(x1,y1,z1)是线段AB的中点,
则根据中点坐标公式得
(2)到A,B两点的距离相等的点P(x,y,z)的坐标满足的条件.
因为点P(x,y,z)到A,B的距离相等,
化简得4x+6y-8z+7=0.
即点P(x,y,z)的坐标满足的条件为
4x+6y-8z+7=0.

设点A(3,1,2)关于平面z=-1对称的点A1(3,1,-4),
12.在空间直角坐标系中,以A(m,1,9),B(10,-1,6),C(2,4,3)为顶点的三角形是等腰三角形,其中m∈Z,则m的值为
A.-4 B.4
C.-6或4 D.6或4

已知点A(m,1,9),B(10,-1,6),C(2,4,3),
设△ABC是以AB为底边的等腰三角形,
则|AC|=|BC|,
整理得53=(m-2)2,m∈Z,所以方程无解;
设△ABC是以AC为底边的等腰三角形,
则|AB|=|BC|,
整理得85=(m-10)2,m∈Z,方程无解;
设△ABC是以BC为底边的等腰三角形,
则|AB|=|AC|,
∵平面ABCD⊥平面ABEF,
平面ABCD∩平面ABEF=AB,AB⊥BE,
∴BE⊥平面ABCD,
∴AB,BC,BE两两垂直.
过点M作MG⊥AB,MH⊥BC,
垂足分别为G,H,
连接NG,易证NG⊥AB.
∵|CM|=|BN|=a,
∴|CH|=|MH|=|BG|
∴以B为原点,以BA,BE,BC所在的直线为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系B-xyz,
(2)当a为何值时,|MN|的长最小.第三章 课时精练33 空间两点间的距离公式
(分值:100分)
一、基础巩固
选择题每小题5分,共25分
1.在长方体ABCD-A1B1C1D1中,若D(0,0,0),A(4,0,0),B(4,2,0),A1(4,0,3),则对角线AC1的长为(  )
9
2.以棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1的棱AB,AD,AA1所在的直线为坐标轴,建立空间直角坐标系,如图所示,则正方形AA1B1B的对角线的交点坐标为(  )
3.已知点A(1,-2,11),B(4,2,3),C(6,-1,4),△ABC的形状是(  )
等腰三角形 等边三角形
直角三角形 等腰直角三角形
4.一束光线自点P(1,1,1)发出,被xOy平面反射,到达点Q(3,3,6)被吸收,那么光线自点P到点Q所走的距离是(  )
57
5.已知空间直角坐标系O-xyz中有一点A(-1,-1,2),点B是平面xOy内的直线x+y=1上的动点,则A,B两点的最短距离是(  )
6.已知A(1,-2,1),B(2,2,2),点P在z轴上,且|PA|=|PB|,则点P的坐标为    .
7.已知三角形三个顶点为A(2,-1,4),B(3,2,-6),C(5,0,2),则过B点的中线长为    .
8.在Rt△ABC中,∠BAC=90°,A(2,1,1),B(1,1,2),C(x,0,1),则x=    .
9.(15分)已知A(x,5-x,2x-1),B(1,x+2,2-x),求|AB|取最小值时A,B两点的坐标,并求此时的|AB|.
10.(15分)已知A(3,3,1),B(1,0,5),求:
(1)线段AB的中点坐标及|AB|的长度;
(2)到A,B两点的距离相等的点P(x,y,z)的坐标满足的条件.
二、综合运用
选择题每小题5分,共10分
11.在空间直角坐标系中,已知点A(3,1,2),B(-1,-2,1)及动点M(x,y,-1),则|AM|+|BM|的最小值为(  )
5
12.在空间直角坐标系中,以A(m,1,9),B(10,-1,6),C(2,4,3)为顶点的三角形是等腰三角形,其中m∈Z,则m的值为(  )
-4 4
-6或4 6或4
13.(15分)已知正方形ABCD,ABEF的边长都是1,且平面ABCD⊥平面ABEF,点M在AC上移动,点N在BF上移动,若|CM|=|BN|=a(0(1)用a表示出|MN|的长;
(2)当a为何值时,|MN|的长最小.
三、创新拓展
14.对于任意实数x,y,z,+
的最小值为    .
课时精练33 空间两点间的距离公式
1.B 2.B 3.C 4.C 5.B 
6.(0,0,3) [∵P在z轴上,可设P(0,0,z),
由|PA|=|PB|,

=,
解得z=3.]
7. [设AC的中点G,
∵三角形三个顶点为A(2,-1,4),B(3,2,-6),C(5,0,2),
∴G,∴|BG|=.]
8.2 [由距离公式
|AB|=;
|AC|=
=;
|BC|=
=;
∵∠BAC=90°,
∴|BC|2=|AB|2+|AC|2,
∴(1-x)2+2=2+(2-x)2+1,解得x=2.]
9.解 由空间两点的距离公式得|AB|=
=
当x=时,|AB|有最小值.
此时A,B.
10.解 (1)设M(x1,y1,z1)是线段AB的中点,
则根据中点坐标公式得
x1==2,y1=,z1==3.
所以AB的中点坐标为.
根据两点间距离公式,得
|AB|=,
所以|AB|的长度为.
(2)因为点P(x,y,z)到A,B的距离相等,
所以
=,
化简得4x+6y-8z+7=0.
即点P(x,y,z)的坐标满足的条件为
4x+6y-8z+7=0.
11.C [设点A(3,1,2)关于平面z=-1对称的点A1(3,1,-4),
则|AM|+|BM|的最小值为线段A1B的长度,
而|A1B|=,
所以|AM|+|BM|的最小值为5.]
12.B [已知点A(m,1,9),B(10,-1,6),C(2,4,3),
设△ABC是以AB为底边的等腰三角形,
则|AC|=|BC|,
所以
=,
整理得53=(m-2)2,m∈Z,所以方程无解;
设△ABC是以AC为底边的等腰三角形,
则|AB|=|BC|,
所以
=,
整理得85=(m-10)2,m∈Z,方程无解;
设△ABC是以BC为底边的等腰三角形,
则|AB|=|AC|,
所以
=,
所以(m-10)2=32+(m-2)2,m∈Z,解得m=4.]
13.解 ∵平面ABCD⊥平面ABEF,
平面ABCD∩平面ABEF=AB,AB⊥BE,
∴BE⊥平面ABCD,
∴AB,BC,BE两两垂直.
过点M作MG⊥AB,MH⊥BC,
垂足分别为G,H,
连接NG,易证NG⊥AB.
∵|CM|=|BN|=a,
∴|CH|=|MH|=|BG|=|GN|=a,
∴以B为原点,以BA,BE,BC所在的直线为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系B-xyz,
则M,N.
(1)|MN|=
.
(2)由(1)得,当a=时,|MN|最小,最小为,这时M,N恰好为AC,BF的中点.
14. [结合空间直角坐标系中任意两点的距离公式,可得+
表示的几何意义是空间内任意一点M(x,y,z)与原点O(0,0,0)及定点A(-3,-2,1)的距离之和,显然当O,M,A三点共线且M在线段OA上时,|OM|+|MA|最小,最小值为|OA|=
.]

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