高考数学2017-2018高三专题复习-立体几何(3)空间直角坐标系与空间向量典型例题

巡山小妖精
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2020年08月16日 04:51
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2017-2018高三数学专题复习- 立体
几何(3)空间直角坐标系与空间向
量

一、建立空间直角坐标系的几种方法
构建原则:
遵循对称性,尽可能多的让点落在坐标轴上。
立空间直角坐标系,则
C
1< br>(0,1,2)、
B
(2,4,0),


∴
BC
1
(2,3,2)
,
CD(0,1,0)
.



设
BC
1
与
CD
所成的角为

,

BC
1

CD
317
则
cos



.


17
BC
1
CD
(二)利用线面垂直关系构建直角坐标系
作法:
例2 如图2,在三棱柱
充分利用图形中的垂直关系或构造垂直关系
来建立空间直角坐标系.
类型举例如下:
(一)用共顶点的互相垂直的三条棱构建直
知
AB2,
BB
1
=2,
BC
=1,∠
BCC
1
=
角坐标系
例1 已知直四棱柱
ABC
-
A
1B
1
C
1
中,
AB
⊥侧面
BB
1C
1
C
,
E
为
棱
CC
1
上异 于
C
、
C
1
的一点,
EA
⊥
EB
1
.已

.求二面角
A
-
EB
1
-
A
1
的平面角的正切
3
值.
ABCD
-
A1
B
1
C
1
D
1
中,
AA
1
=2,底面
ABCD
是
直角梯形,∠
A
为直角,
A B
∥
CD
,
AB
=4,
解析:如图2,以
B< br>为原点,分别以
BB
1
、
BA
所在直线为
y
轴、
z
轴,过
B
点垂直于平
面
AB
1
的直 线为
x
轴建立空间直角坐标系.
由于
BC
=1,
BB
1
=2,
AB
=
2
,∠
AD
=2,
DC
=1,求异面直线
BC
1
与
DC
所
成角的余 弦值.
解析:如图1,以
D
为坐标原点,分别
以
DA
、
DC
、
DD
1
所在直线为
x
、
y
、
z
轴建

BCC
1
=,
3
∴在 三棱柱
ABC
-
A
1
B
1
C
1
中 ,有
B
(0,
0,0)、
A
(0,0,
2
)、B
1
(0,2,
1




3 1

33

,0

,0

0)、c


2
,

、
C
1

2
,

.设
22


3
13
a
E

,a,0
且,


2

22

ABCD
是正方形,侧面
VAD
是正三角形,平
面
VAD
⊥底面
ABCD
.
(1)证明
AB
⊥平面
VAD
;
(2)求面
VAD
与面
VDB
所成的二面
角的余弦值.
解析:(1)取
AD
的中点
O
为原点,建
立如图3所示的空间直角坐 标系.
设
AD
=2,则
A
(1,0,0)、
D
( -
1,0,0)、
B
(1,2,0)、
V
(0,0,
3),

由
EA
⊥
EB
1
,得
EA

EB
1
0
,

33
即

a
,
2

2a
,
0



2
,




2
,



33
 a(a2)a
2
2a0
,∴
44
1

3

a

a

0
,
2

2

即
a
13
或
a
(舍去).故
22

31

E

,0


2
,

.
2


由已知有
EAE B
1
,
B
1
A
1
EB
1
,故二 面
角
A
-
EB
1
-
A
1
的平面角

的大小为向量


∴
AB
=(0,2 ,0),
VA
=(1,0,
-
3
).


B
1
A
1
与
EA
的夹角.

由
AB

VA(0
,
2,
0)

(10
,,
3)0
,得

AB
⊥
VA
.
又
AB
⊥
AD
, 从而
AB
与平面
VAD
内两
条相交直线
VA
、AD
都垂直,
∴
AB
⊥平面
VAD
;

13

0,

(2)设
E
为
DV
的中点,则
E



2
,


2



3


33


3

0,2,
∴
EA


2
,

,
EB


2
,

,
22


因
B
1
A
1
BA(0,0,2)
,


31
EA

,,2


2


2


EA

B
1
A
1
2
2
故
cos



,即
tan





2
3< br>EAB
1
A
1
(三)利用面面垂直关系构建直角坐标系
例3 如图3,在四棱
锥
V
-
ABCD
中,底面
< br>DV(1,0,3)
.
2





33

∴
EB

DV

2
,
0
,
3)0
,

2
,


(1
,
2

 

3ah

∴
BE

a,,
,
22

2


a3h

DE

,a,

.

222

∴
EB
⊥
DV
.
又
EA
⊥
DV
,因此∠
AEB
是所求二面角< br>的平面角.


EA

EB21
∴
cosEA
.
,
EB


7
EAEB


BE

DE 6a
2
h
2
∴
cosBE
,
,
D E


22
10ah
BEDE
6a< br>2
h
2
即
cos∠DEB
;
22
10ah
故所求二面角的余弦值为
21
.
7
(2)因为
E
是
VC
的中点,又
BE
⊥
VC,

VC0
,即
所以
BE

ah

3
a
,

,


( a
,
a
,
h)0
,

222

3
2
a
2
h
2
∴
a0
,∴
h2a
.
222
(四)利用正棱锥的中心与高所在直线构建
直角坐标系
例4 已 知正四棱锥
V
-
ABCD
中,
E
为
VC
中
点,正四棱锥底面边长为
2
a
,高为
h
.
(1)求∠
DEB
的余弦值;
(2)若
BE
⊥
VC
,求∠
DEB
的余弦值.
解析:(1)如图4,以
V
在平面
AC
的
射影
O
为 坐标原点建立空间直角坐标系,其
中O
x
∥
BC
,O
y∥
AB
,则由
AB
=2
a
,
OV
=< br>h
,有
B
(
a
,
a
,0)、
C(-
a
,
a
,0)、

6a
2
h
2
1
DE
这时
cosBE,
,即10a
2
h
2
3
1
cos∠DEB
.
3
引入空间向量坐标运算,使解立体几何问
题避免了传统方法进行繁琐的空间分析,只
需建立空间直角坐标系进行向量运算,而如
何建立恰当的坐标系,成为用向量解题的关
键步骤之一.下面以高考考题为例,剖析建
立空间直角坐标系的三条途径.
(五)利用图形中的对称关系建立坐标系
D
(-
a
,-
a
,0)、
V
(0,0,
h
)、
E

,,


3


aah


222



图形中虽没有明显交于一点的三条直线,但
有一定对称关系(如正三棱柱、正四棱柱等),
利用 自身对称性可建立空间直角坐标系.
例5已知两个正四棱锥
P
-
ABCD< br>与
Q
-
d



n
AQ0,


2xz0,
则


得 取
x
=1,得





xy0,< br>
n

AD0,

n=(1,1,2)
.点< br>P
到平面
QAD
的距离

PQ
n
n
22
.
ABCD
的高都为2,
AB
=4.
(1)证明:
PQ
⊥平面
点评:利用图形所具备的对称性,建立
空间直角坐标系后,相关点与向量的坐标应
容易得出.第(3)问也可用“等体积法”求
距离.
ABCD
;
(2)求异面直线
AQ
与
PB
所成的角;
(3)求点
P
到面
QAD
的距离.
简解:(1)略; < br>(2)由题设知,
ABCD
是正方形,且
AC
⊥
BD
.由(1),
PQ
⊥平面
ABCD
,故可分别
,DB,QP
为
x
,
y
,
z
轴建立空间以直线
CA
直角 坐标系(如图1),易得

AQ(22,0,2),PB(0,22, 2)
,


AQ

PB1
cosAQ
,
PB


.
AQPB
3
1
所求异面直线所成的角是
arccos
.
3
(3)由(2)知,点

D(0,22,,0)AD( 22,22,,0)PQ(0,0,4)
设
n
=(
x
,y
,
z
)是平面
QAD
的一个法向量,
4



二、向量法解立体几何
(一)知识点
向量的数量积和坐标运算


a,b
是两个非零向量,它们的夹角 为
成的角或其补角(如图1所示),


|ab|
则
c os




.

|a||b|
2. 直线
L
与平面

所成的角
在
L
上取定
A B
,求平面


,则数
|a||b|cos

叫做
a
与
b
的数量
的法向量
n
(如图2所示),< br>积(或内积),记作
ab
,即
再求
cos

A
L
B

n
|ABn|
|AB||n|

ab|a||b|cos

.
其几何意义是
a
的
长度与
b
在
a
的方向上的投影的乘积. 其
坐标运算是:
若
a
(
x
1
,
y
1
,
z
1
),
b
(
x
2
,
y
2,
z
2
)
,则
,则
图



2


为所求的角.
3. 二面角
方法一:构造二 面角

l
n
1
n
2



①
abx
1
x
2
y
1
y
2
z
1
z
2
;
222222

的

l

的两个半平面

、
n
2
(都取向 上的方
②
|a|x
1
y
1
z
1
,| b|x
2
y
2
z
2
;
法向量
n< br>1
、


③
abx
1
x
2y
1
y
2
z
1
z
2

④
cosa,b
x
1
x
2
y
1
y< br>2
z
1
z
2
x
1
y
1
z
1
x
2
y
2
z
2
222222
图3甲
向,如图3所示),则

① 若二面角

l

是“钝角型”的如
图3甲所示,那么其大小等于两法向
(二)例题讲解
题型:求角度相关
1. 异面直线
m,n
所成的角
分别在直线< br>m,n
上取定向
量
n
1
、n
2
的夹角的补角 ,即
cos


n
1
n
2
|n
1
||n
2
|
.
n
2
n
1


图


量
a,b,
则异面直线
m,n< br>所


成的角

等于向量
a
,
b< br>所
C
a
A
n
m

l
② 若二面角

l

是“锐角型”的如图
n
D
图1
b
B
5
3乙所示,那么其大

n
2

B
l
A
n
1
图4



小等于两法向量
n
1
、n
2
的夹 角,即
cos


n
1
n
2
|n
1
||n
2
|
.
.
CDCAABBD
CDn(CAABBD)n

|CD n||ABn|
方法二:在二面角的棱
l
上确定两个点
A、B
,过
A、B
分别在平面

、

内求出与
l
d|CD|
|ABn|
|n|

设直线
m,n
所成 的角为

,显然
垂直的向量
n
1
、n
2
( 如图4所示),则二面
角

l

的大小等于向量
n1
、
即
n
2
的夹角,
cos

< br>n
1
n
2
|n
1
||n
2
|< br>.



|ab|

.

cos



|a||b|
2. 平面外一点
p
到平面

的距离
求平面

的法向量
n
,在
面内任取一定点
A
,点
p
A
pn
题型:求距离相关
1. 异面直线
m、n
的距离
分别在直 线
m、n
上取

到平面

的距离
d
等于< br>AP
在
n
上的射影长,


定向量
a,b,
求与向量


a、b
都垂直的向量
C
a
A
n
m
即
d
|APn|
|n|
.
n
D
图1
b
B
n
,分别在
m、n
上各取
一个定点
A、B
,则异面直线
m、n
的距离
d等于
AB
在
n
上的射影长,即
d
|ABn|
|n|
.
证明:设
CD
为公垂线段,取


C Aa,DBb

6



三、法向量

例题解析
题型:求空间角
1、运用法向量求直线和平面所成角
设平面α的法向量为

n
=(x, y, 1),则直
线AB和平面α所成的角θ的正弦值为
sinθ= cos(

2
-θ)

= |cos<

AB

,

n
>| = 
AB



n
AB



n




2、运用法向量求二面角
设二面 角的两个面的法向量为

n

1
,n
2
,则
<

n

或π-<

n
< br>1
,n
2
>
1
,n
2
>是所求角。这时要借 助
图形来判断所求角为锐角还是钝角,来决定
<

n
 
n

1
,n
2
>是所求,还是π-<
n
1
,
2
>是所求角。
题型:求空间距离
1、求两条异面直线间的距离
设异面直线a、b的公共法向量为

n( x,y,z)
,在a、b上任取一点A、B,则




异面直线a、b的距离:d =AB〃cos

∠BAA
'
=
|AB

n|
|

n|


略证:如图,EF为a、b的公垂线段,
a
'
为过F与a平行的直线,
在a、b上任取一点A、B,
过A作AA
'

EF,交a
'
于A
'
, < br>则

AA
¡

¯


n
,
所以∠BAA
'
=<

BA

,

n
>(或其补角)
∴异面直线a、b的距离d =AB〃cos∠BAA
'
=
|

AB

|

n|n|
*
其中,

n
的坐标可利用a、b上的任一向量

a,b

(或图中的

AE

,

BF

),及

n
的定义得




n


a


na0
①

nb

< br>

b



n0
解方程组可得

n
。
2、求点到面的距离
7



求A点到平面α的距离,设平面α的法向设平面外的直线a和平面α、β,两 个面α、

量法为
n(x,y,1)
,在α内任取一点B,则A
点 到平面α的距离:

β的法向量为
n
1
,n
2
,则


a

an
1

a

a
1
n




n
1
n
2




n
1
n
2


|ABn|

d =
,
|n|

n
的坐标由
n
与平面α内的两个不共线向
量的垂直关系,得到方程组 (类似于前面所
述, 若方程组无解,则法向量与XOY平面平

行,此时可改设n(1,y,0)
,下同)。
3、求直线到与直线平行的平面的距离
求直线 a到平面α的距离,设平面α的法

向量法为
n(x,y,1)
,在直线a 上任取一点A,
在平面α内任取一点B,则直线a到平面α的
距离:

|ABn|

d =

|n|
4、求两平行平面的距离
设两个平行设平面α、β的公共法向量法

为
n(x,y,1)
,在平面α、β内各任取一点A、
B,则平面α到平面 β的距离:

|ABn|

d =

|n|
三、证明线面、面面的平行、垂直关系
8

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