
題型一:求平面的法向量
題型二:利用向量研究平行問題
題型三:利用向量研究垂直問題
題型四:異面直線所成的角
題型五:線面角
題型六:二面角
題型七:距離問題
【知識(shí)點(diǎn)梳理】
知識(shí)點(diǎn)一:直線的方向向量和平面的法向量
1、直線的方向向量:
點(diǎn)A是直線l上的一個(gè)點(diǎn),是直線l的方向向量,在直線l上取,取定空間中的任意一點(diǎn)O,則點(diǎn)P在直線l上的充要條件是存在實(shí)數(shù)t,使或,這就是空間直線的向量表達(dá)式.
知識(shí)點(diǎn)詮釋:
(1)在直線上取有向線段表示的向量,或在與它平行的直線上取有向線段表示的向量,均為直線的方向向量.
(2)在解具體立體幾何題時(shí),直線的方向向量一般不再敘述而直接應(yīng)用,可以參與向量運(yùn)算或向量的坐標(biāo)運(yùn)算.
2、平面的法向量定義:
直線l⊥α,取直線l的方向向量,我們稱向量為平面α的法向量.給定一個(gè)點(diǎn)A和一個(gè)向量,那么過點(diǎn)A,且以向量為法向量的平面完全確定,可以表示為集合.
知識(shí)點(diǎn)詮釋:一個(gè)平面的法向量不是唯一的,在應(yīng)用時(shí),可適當(dāng)取平面的一個(gè)法向量.已知一平面內(nèi)兩條相交直線的方向向量,可求出該平面的一個(gè)法向量.
3、平面的法向量確定通常有兩種方法:
(1)幾何體中有具體的直線與平面垂直,只需證明線面垂直,取該垂線的方向向量即得平面的法向量;
(2)幾何體中沒有具體的直線,一般要建立空間直角坐標(biāo)系,然后用待定系數(shù)法求解,一般步驟如下:
(i)設(shè)出平面的法向量為;
(ii)找出(求出)平面內(nèi)的兩個(gè)不共線的向量的坐標(biāo),;
(iii)根據(jù)法向量的定義建立關(guān)于x、y、z的方程;
(iv)解方程組,取其中的一個(gè)解,即得法向量.由于一個(gè)平面的法向量有無數(shù)個(gè),故可在代入方程組的解中取一個(gè)最簡(jiǎn)單的作為平面的法向量.
知識(shí)點(diǎn)二:用向量方法判定空間中的平行關(guān)系
空間中的平行關(guān)系主要是指:線線平行、線面平行、面面平行.
(1)線線平行
設(shè)直線的方向向量分別是,則要證明,只需證明,即.
(2)線面平行
線面平行的判定方法一般有三種:
①設(shè)直線的方向向量是,平面的向量是,則要證明,只需證明,即.
②根據(jù)線面平行的判定定理:要證明一條直線和一個(gè)平面平行,可以在平面內(nèi)找一個(gè)向量與已知直線的方向向量是共線向量.
③根據(jù)共面向量定理可知,要證明一條直線和一個(gè)平面平行,只要證明這條直線的方向向量能夠用平面內(nèi)兩個(gè)不共線向量線性表示即可.
(3)面面平行
①由面面平行的判定定理,要證明面面平行,只要轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的線面平行、線線平行即可.
②若能求出平面,的法向量,則要證明,只需證明.
知識(shí)點(diǎn)三、用向量方法判定空間的垂直關(guān)系
空間中的垂直關(guān)系主要是指:線線垂直、線面垂直、面面垂直.
(1)線線垂直
設(shè)直線的方向向量分別為,則要證明,只需證明,即.
(2)線面垂直
①設(shè)直線的方向向量是,平面的向量是,則要證明,只需證明.
②根據(jù)線面垂直的判定定理轉(zhuǎn)化為直線與平面內(nèi)的兩條相交直線垂直.
(3)面面垂直
①根據(jù)面面垂直的判定定理轉(zhuǎn)化為證相應(yīng)的線面垂直、線線垂直.
②證明兩個(gè)平面的法向量互相垂直.
知識(shí)點(diǎn)四、用向量方法求空間角
(1)求異面直線所成的角
已知a,b為兩異面直線,A,C與B,D分別是a,b上的任意兩點(diǎn),a,b所成的角為,
則.
知識(shí)點(diǎn)詮釋:兩異面直線所成的角的范圍為.兩異面直線所成的角可以通過這兩直線的方向向量的夾角來求得,但二者不完全相等,當(dāng)兩方向向量的夾角是鈍角時(shí),應(yīng)取其補(bǔ)角作為兩異面直線所成的角.
(2)求直線和平面所成的角
設(shè)直線的方向向量為,平面的法向量為,直線與平面所成的角為,與的角為,
則有.
(3)求二面角
如圖,若于于,平面交于,則為二面角的平面角,.
若分別為面的法向量, 則二面角的平面角或,
即二面角等于它的兩個(gè)面的法向量的夾角或夾角的補(bǔ)角.
①當(dāng)法向量與的方向分別指向二面角的內(nèi)側(cè)與外側(cè)時(shí),二面角的大小等于的夾角的大小.
②當(dāng)法向量的方向同時(shí)指向二面角的內(nèi)側(cè)或外側(cè)時(shí),二面角的大小等于的夾角的補(bǔ)角的大小.
知識(shí)點(diǎn)五、用向量方法求空間距離
1、求點(diǎn)面距的一般步驟:
①求出該平面的一個(gè)法向量;
②找出從該點(diǎn)出發(fā)的平面的任一條斜線段對(duì)應(yīng)的向量;
③求出法向量與斜線段向量的數(shù)量積的絕對(duì)值再除以法向量的模,即可求出點(diǎn)到平面的距離.
即:點(diǎn)A到平面的距離,其中,是平面的法向量.
2、線面距、面面距均可轉(zhuǎn)化為點(diǎn)面距離,用求點(diǎn)面距的方法進(jìn)行求解.
直線與平面之間的距離:,其中,是平面的法向量.
兩平行平面之間的距離:,其中,是平面的法向量.
3、點(diǎn)線距
設(shè)直線l的單位方向向量為,,,設(shè),則點(diǎn)P到直線l的距離 .
【典例例題】
題型一:求平面的法向量
例2.在棱長(zhǎng)為2的正方體中,E,F(xiàn)分別為棱的中點(diǎn),在如圖所示的空間直角坐標(biāo)系中,求:
(1)平面的一個(gè)法向量;
(2)平面的一個(gè)法向量.
【解析】(1)由題意,可得,
連接AC,因?yàn)榈酌鏋檎叫?,所?
又因?yàn)槠矫妫矫?,所以,且,則AC⊥平面,
∴為平面的一個(gè)法向量. (答案不唯一).
(2)設(shè)平面的一個(gè)法向量為,
則令,得
∴即為平面的一個(gè)法向量.(答案不唯一).
題型二:利用向量研究平行問題
例5.如圖,在四棱錐中,底面為直角梯形,其中.
平面,且,點(diǎn)在棱上,點(diǎn)為中點(diǎn).若,證明:直線平面.
【解析】如圖所示,以點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),以為軸,為軸,為軸建立空間直角坐標(biāo)系,
則,
若,則,,
因?yàn)槠矫?,平面,所以?br>又因?yàn)?,,平面,所以平?br>平面的其中一個(gè)法向量為,所以,即,
又因?yàn)槠矫?,所以平?
題型三:利用向量研究垂直問題
例8.如圖,已知正方形和矩形所在的平面互相垂直,,,是線段的中點(diǎn).
(1)求證:.
(2)求證:平面.
【解析】(1)因?yàn)樗倪呅螢榫匦?,則,
因?yàn)槠矫嫫矫?,平面平面,平面?br>所以平面,又四邊形為正方形,
以點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),、、所在直線分別為、、軸,建立空間直角坐標(biāo)系,
由,,得,,,,
,,.所以,,
所以,所以,所以
(2)由(1)知,,,.
設(shè)是平面的法向量,則,,
所以,得,取,得,,則.
因?yàn)?,所以,即與共線.所以平面.
例11.如圖,在三棱錐P-ABC中,AB=AC,D為BC的中點(diǎn),PO⊥平面ABC,垂足O落在線段AD上.已知BC=8,PO=4,AO=3,OD=2.
(1)證明:AP⊥BC;
(2)若點(diǎn)M是線段AP上一點(diǎn),且AM=3,試證明AM⊥平面BMC.
【解析】(1)由題意知AD⊥BC,如圖,以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn),以過O點(diǎn)且平行于BC的直線為x軸,OD,OP所在直線分別為y軸,z軸建立空間直角坐標(biāo)系O-xyz.
則,可得,
∵∴,即AP⊥BC.
(2)由(1)可得,
∵M(jìn)是AP上一點(diǎn),且AM=3,∴,
可得,
設(shè)平面BMC的法向量為,則,
令b=1,則,即,顯然,故∥,
∴AM⊥平面BMC.
題型四:異面直線所成的角
例15.如圖,在四棱錐中,底面,底面為正方形,,為的中點(diǎn),為的中點(diǎn),則異面直線與所成角的余弦值為( )
A.B.C.D.
【答案】B
【解析】如圖,以點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),建立空間直角坐標(biāo)系,設(shè),
則,,,,,則,,
所以,,所以,
所以,異面直線與所成角的余弦值為.故選:B.
例17.在三棱錐中,平面,,,則直線與夾角的余弦值是( )
A. B. C. D.
【答案】C
【解析】過B作Bz//AS.以分別為x、y、z軸正方向建立空間直角坐標(biāo)系.
不妨設(shè),則,,,.所以,.
設(shè)直線與夾角為,則.故選:C.
題型五:線面角
例23.如圖,在四棱錐中,底面ABCD為矩形,平面ABCD,M為PC中點(diǎn).
(1)求證:平面MBD;
(2)若,求直線BM與平面AMD所成角的正弦值.
【解析】(1)連接AC交BD于點(diǎn)O,連接OM,由四邊形ABCD為矩形,
可知O為AC中點(diǎn),M為PC中點(diǎn),所以,
又平面,平面,所以平面MBD.
(2)以為原點(diǎn),所在直線為軸建立空間直角坐標(biāo)系,
則 ,所以,
設(shè)平面的法向量為,則,令,則,
設(shè)直線與平面所成角為,則,
所以直線與平面所成角的正弦值為.
題型六:二面角
例28.如圖,在四棱錐中,平面ABCD,,,,且直線PB與CD所成角的大小為.
(1)求BC的長(zhǎng);
(2)求二面角的余弦值.
【解析】(1)由于平面ABCD,,所以兩兩垂直,故分別以,,所在直線為,,軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系.
,,0,,,0,,,1,,,0,.
設(shè),,,則,0,,,,.
直線與所成角大小為,
,即,解得或(舍,
,2,,則的長(zhǎng)為2;
(2)設(shè)平面的一個(gè)法向量為,,.,0,,,1,,,
,令,則,,,1,.
平面的一個(gè)法向量為,
,令,則,,,,
由幾何體的特征可知二面角的平面角為銳角,二面角的余弦值為.
例30.如圖,四邊形是正方形,平面,,,,為的中點(diǎn).
(1)求證:平面;
(2)求平面與平面夾角的余弦.
【解析】(1)證明:依題意,平面.如圖,以為原點(diǎn),分別以、、的方向?yàn)檩S、軸、軸的正方向,建立空間直角坐標(biāo)系.
依題意,可得,,,,,,.
取的中點(diǎn),連接.
因?yàn)椋?,,所以,所以?br>又因?yàn)槠矫?,平面,所以平面?br>(2)因?yàn)?所以,
又因?yàn)槠矫妫矫?,所以,?,
所以平面,
又因?yàn)槠矫?,所以,且平?
所以平面,平面,所以,,,平面,
所以平面,故為平面的一個(gè)法向量.設(shè)平面的法向量為,
因?yàn)樗约矗?br>令,得,,故.所以,
所以平面與平面夾角的余弦值為.
例34.如圖,PA⊥平面ABCD,四邊形ABCD是矩形,,,點(diǎn)F為PB中點(diǎn),點(diǎn)E在邊BC上移動(dòng).
(1)求證: 平面AFC;
(2)若二面角的大小為60°,則CE為何值時(shí),三棱錐的體積為.
【解析】(1)連接,設(shè),如下圖所示:
四邊形ABCD是矩形,所以是的中點(diǎn), F為PB中點(diǎn),所以有,
而平面,平面,由直線與平面平行的判定定理可知: 平面AFC;
(2)建立如上圖所示的空間直角坐標(biāo)系,設(shè),,
設(shè)平面的法向量為,,則有
,而PA⊥平面,所以是平面的法向量,
所以有,
,設(shè),,
三棱錐的體積為,解得,
所以當(dāng)時(shí),三棱錐的體積為.
題型七:距離問題
例38.如圖,設(shè)在直三棱柱中,,,E,F(xiàn)依次為的中點(diǎn).
(1)求異面直線、EF所成角的余弦值;
(2)求點(diǎn)到平面AEF的距離.
【解析】(1)在直三棱柱中,,以A為原點(diǎn)建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
則,
,,
所以異面直線所成角的余弦值為.
(2)設(shè)平面AEF的一個(gè)法向量為,而,
則,令,得,又,
于是.所以點(diǎn)到平面AEF的距離為.
例40.如圖,正方體的棱長(zhǎng)為2,點(diǎn)為的中點(diǎn).
(1)求點(diǎn)到平面的距離為;
(2)求到平面的距離.
【解析】(1)以為原點(diǎn),所在的直線分別為軸如圖建立空間直角坐標(biāo)系,
則, 所以,
設(shè)平面的一個(gè)法向量為,則,令,
所以平面所的法向量為,又
所以點(diǎn)到平面的距離.
(2)由(1)可得平面的法向量為,
∵,∴,,
,∴平面, 所以到平面的距離可以轉(zhuǎn)化為點(diǎn)到平面的距離,
由,所以到平面的距離為.
【過關(guān)測(cè)試】
一、單選題
1.已知直線l的一個(gè)方向向量為,平面的一個(gè)法向量為,若,則=( )
A.﹣3B.3C.6D.9
【答案】B
【解析】因?yàn)?,所以,解得,所?故選:B
2.正方體的棱長(zhǎng)為1,則平面與平面的距離為( )
A.B.C.D.
【答案】D
【解析】由正方體的性質(zhì):∥,∥,,,
且平面,平面,平面,平面,
所以平面平面,則兩平面間的距離可轉(zhuǎn)化為點(diǎn)B到平面的距離.
以為坐標(biāo)原點(diǎn),所在的直線分別為軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖所示:
由正方體的棱長(zhǎng)為1,所以,,,,,
所以,,,.連接,
由,,
所以,且,可知平面,
得平面的一個(gè)法向量為,則兩平面間的距離:
.故選:D.
3.已知平面α的一個(gè)法向量,點(diǎn)在α內(nèi),則到α的距離為( )
A.10 B.3 C. D.
【答案】D
【解析】由題意,得,又知平面的一個(gè)法向量,
則到平面的距離,故選:D.
4.如圖所示,在棱長(zhǎng)為2的正方體ABCD-A1B1C1D1中,E是棱CC1的中點(diǎn),=λ,若異面直線D1E和A1F所成角的余弦值為,則異面直線A1F與BE所成角θ的余弦值為( )
A.B.C.D.
【答案】B
【解析】如圖,以D為原點(diǎn),分別以DA,DC,DD1所在直線為x,y,z軸,建立空間直角坐標(biāo)系,
因?yàn)檎襟w的棱長(zhǎng)為2,則A1(2,0,2),D1(0,0,2),E(0,2,1),A(2,0,0).所以,
又
所以,整理得到,解得(舍去),
所以,,所以,故cs θ=,
故選:B.
5.在棱長(zhǎng)為2的正方體中,E,F(xiàn)分別為AD,BC的中點(diǎn),為線段EF上的一動(dòng)點(diǎn),則直線與所成角的余弦值的取值范圍是( )
A.B.C.D.
【答案】C
【解析】構(gòu)建如下圖示的空間直角坐標(biāo)系,
所以,,且,則,,所以,當(dāng),夾角余弦值最小為,當(dāng),夾角余弦值最大為,所以直線與所成角的余弦值的取值范圍是.故選:C
二、填空題
6.矩形ABCD中,,平面ABCD,且,則P到BC的距離為__________.
【答案】
【解析】方法一:如圖,因?yàn)槠矫?平面,所以,
又因?yàn)槭蔷匦?,所?因?yàn)?所以平面,
因?yàn)槠矫?,所?所以為到的距離.
在矩形中,因?yàn)?,所?
在直角三角形中,由勾股定理得,
所以到的距離為.故答案為:.
方法二:建立如圖所示坐標(biāo)系,在矩形中,,
所以,所以
,所以,所以為到的距離.
,所以到的距離為.故答案為:
7.如圖,已知平面,,,,,.若,,則與平面所成角的余弦值為__________.
【答案】
【解析】依題意,以為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以,,為軸、軸、軸的正方向,如圖建立空間直角坐標(biāo)系,
由已知可得,,,,,,
則,,.設(shè)是平面的法向量,
則,即,令,則,,所以是平面的一個(gè)法向量.
設(shè)與平面所成的角為,.
因?yàn)?,,,則,
所以.因?yàn)?,所以?br>所以與平面所成角的余弦值為.故答案為:.
三、解答題
8.如圖,四棱錐中,平面,,,,M為棱上一點(diǎn).
(1)若M為的中點(diǎn),證明:平面;
(2)若,且平面,求直線與平面所成角的正弦值.
【解析】(1)取中點(diǎn),連接和,
因?yàn)?,,且為的中點(diǎn),所以且,
所以四邊形為平行四邊形,則,
因?yàn)槠矫?,平面,所以平面?br>因?yàn)镸,N分別為的中點(diǎn),所以,
因?yàn)槠矫?,平面,所以平面?br>又因?yàn)槠矫妫?,所以平面平面?br>因?yàn)槠矫?,所以平?br>(2)取中點(diǎn),作交于,連接,
因?yàn)椋裕?br>因?yàn)槠矫?,平面,所以?br>因?yàn)?,所以?br>以為坐標(biāo)原點(diǎn),為正交基底建立如下圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
、、、、.所以,.
設(shè)平面的法向量,又因?yàn)槠矫妫?br>所以,取,,,則.
又因?yàn)?,所?
所以直線和平面所成角正弦值為.
9.如圖:在四棱錐中,底面是正方形,,,點(diǎn)在上,且.
(1)求證:平面;
(2)求二面角的余弦值;
(3)證明:在線段上存在點(diǎn),使∥平面,并求線段的長(zhǎng).
【解析】(1)證明:,,
,同理
又,平面ABCD平面.
(2)如圖,以為原點(diǎn),分別為軸建立空間直角坐標(biāo)系,
則
平面的法向量為,設(shè)平面的法向量為
,由有: ,取 ,
設(shè)二面角的平面角為,由圖形可知,,
二面角的余弦值為.
(3)假設(shè)存在點(diǎn),使∥平面,令,,
,由∥平面,,,即,解得
存在點(diǎn),為的中點(diǎn),即.
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