空間向量及其運算
●考試目標(biāo) 主詞填空
1.空間向量基本定理及應(yīng)用
空間向量基本定理:如果三個向量a、b、c不共面,那么對空間任一向量p存在惟一的有序?qū)崝?shù)組x、y、z,使p=x a+ y b+ z c.
2.向量的直角坐標(biāo)運算:
設(shè)a=(a1,a2,a3), b=(b1,b2,b3),
A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2).
則a+b= .
a-b= .
a•b= .
若a、b為兩非零向量,則a⊥b a•b=0 =0.
?
●題型示例 點津歸納
【例1】已知空間四邊形OABC中,∠AOB=∠BOC=
∠AOC,且OA=OB=OC.,N分別是OA,BC的中點,G是
N的中點.
求證:OG⊥BC.
【解前點津】 要證OG⊥BC,只須證明 即可.
而要證 ,必須把 、 用一組已知的空間基向量表示.又已知條為∠AOB=∠BOC=∠AOC,且OA=OB=OC,因此可選 為已知的基向量.
【規(guī)范解答】 連ON由線段中點公式得:
又 ,
所以 )
= ( ).
因為 .
且 ,∠AOB=∠AOC.
所以 =0,即OG⊥BC.
【解后歸納】 本題考查應(yīng)用平面向量、空間向量和平面幾何知識證線線垂直的能力.
【例2】 在棱長為a的正方體ABCD—A1B1C1D1中,求:異面直線BA1與AC所成的角.
【解前點津】 利用 ,求出向量 與 的夾角〈 , 〉,再根據(jù)異面直線BA1,AC所成角的范圍確定異面直線所成角.
【規(guī)范解答】 因為 ,
所以
=
因為AB⊥BC,BB1⊥AB,BB1⊥BC, 例2圖
所以 =0,
=-a2.
所以 =-a2.
又
所以〈 〉=120°.
所以異面直線BA1與AC所成的角為60°.
【解后歸納】 求異面直線所成角的關(guān)鍵是求異面直線上兩向量的數(shù)量積,而要求兩向量的數(shù)量積,必須會把所求向量用空間的一組基向量表示.
【例3】 如圖,在正方體ABCD—A1B1C1D1中,E、F分
別是BB1、DC的中點.
(1)求AE與D1F所成的角;
(2)證明AE⊥平面A1D1F.
【解前點津】 設(shè)已知正方體的棱長為1,且 =e1,
=e2, =e3,以e1,e2,e3為坐標(biāo)向量,建立空間直角坐標(biāo)系D—xyz,
則:(1)A(1,0,0),E(1,1, ),F(xiàn)(0, ,0),D1(0,0,1),
所以 =(0,1, ), =(0, ,-1).
所以 • =(0,1 ),•(0, ,-1)=0.
所以 ⊥ ,即AE與D1F所成的角為90°.
(2)又 =(1,0,0)= ,
且 • =(1,0,0)•(0,1, )=0.
所以 AE⊥D1A1,由(1)知AE⊥D1F,且D1A1∩D1F=D1.
所以AE⊥平面A1D1F.
【解后歸納】本題考查應(yīng)用空間向量的坐標(biāo)運算求異面直線所成的角和證線面垂直的方法.
【例4】 證明:四面體中連接對棱中點的三條直線交于一點且互相平分(此點稱為四面體的重心).
【規(guī)范解答】∵E,G分別為AB,AC的中點,
∴EG ,同理HF ,∴EG HF .
從而四邊形EGFH為平行四邊形,故其對角線EF,
GH相交于一點O,且O為它們的中點,連接OP,OQ.
只要能證明向量 =- 就可以說明P,O,Q三點共線且O
為PQ的中點,事實上, ,而O為GH的中點, 例4圖
∴ CD,QH CD,
∴
∴= =0.
∴ =,∴PQ經(jīng)過O點,且O為PQ的中點.
【解后歸納】本例要證明三條直線相交于一點O,我們采用的方法是先證明兩條直線相交于一點,然后證明 兩向量共線,從而說明P、O、Q三點共線進(jìn)而說明PQ直線過O點.
●對應(yīng)訓(xùn)練 分階提升
一、基礎(chǔ)夯實
1.在下列條中,使與A、B、C一定共面的是( )
A. B.
C. D.
2.與向量a=(12,5)平行的單位向量是( )
A. B.
C. D.
3.若向量{a, b,c}是空間的一個基底,向量m=a+b,n=a-b,那么可以與m、n構(gòu)成空間另一個基底的向量是( )?
A.a B.b ? C. c D.2a?
4. a、b是非零向量,則〈a,b〉的范圍是 ( )?
A.(0, ) B.[0, ]? C.(0,π)? D.[0,π]?
5.若a與b是垂直的,則a•b的值是( )?
A.大于0 B.等于零? ?C.小于0 D.不能確定
6.向量a=(1,2,-2),b=(-2,-4,4),則a與b( )
A.相交 B.垂直? C.平行 ?D.以上都不對
7. A(1,1,-2)、B(1,1,1),則線段AB的長度是( )?
?A.1 ?B.2 ? C.3 ?D.4
8. m={8,3,a},n={2b,6,5},若m∥n,則a+b的值為( )
?A.0 ? B. C. D.8
9. a={1,5,-2},b={m,2,m+2},若a⊥b,則m的值為( )?
?A.0 ?B.6 ?C.-6 ?D.±6
10. A(2,-4,-1),B(-1,5,1),C(3,-4,1),令a= ,b= ,則a+b對應(yīng)的點為( )
?A.(5,-9,2) B.(-5,9,-2) ?C.(5,9,-2) D.(5,-9,2)
11. a=(2,-2,-3),b=(2,0,4),則a與b的夾角為( )
?A.arc cos ? B. ? C. D.90°
12.若非零向量a={x1,y1,z1},b={x2,y2,z2},則 是a與b同向或反向的( )
?A.充分不必要條 B.必要非充分條?
?C.充要條 D.不充分不必要條
二、思維激活
13.已知向量a, b, c滿足a+b+c=0,a=3, b=1, c=4.則ab+bc+ca= .?
14.已知a=2 ,b= ,ab=- ,則a、b所夾的角為 .
15.已知空間三點A、B、C坐標(biāo)分別為(0,0,2),(2,2,0),(-2,-4,-2),點P在xOy平面上且PA⊥AB,PA⊥AC,則P點坐標(biāo)為 .
16.已知a={8,-1,4},b={2,2,1},則以a、b為鄰邊的平行四邊形的面積為 .
三、能力提高
17.已知線段AB在平面α內(nèi),線段AC⊥α,線段BD⊥AB,且與α所成的角是30°,如果AB=a,AC=BD=b,求C、D之間的距離.
18.長方體ABCD—A1B1C1D1中,E、F分別為AB、B1C1中點,若AB=BC=2,AA1=4,試用向量法求:
(1) 的夾角的大小.
(2)直線A1E與FC所夾角的大小.
19.在正方體ABCD—A1B1C1D1中,E、F分別為BB1、DC的中點,求證:D1F⊥平面ADE.
20.如圖所示,已知 ABCD,O是平面AC外的一點, ,求證:A1,B1,C1,D1四點共面.
空間向量及其運算習(xí)題解答
1.C 由向量共線定義知.?
2.C 設(shè)此向量為(x,y),∴ ,?∴
3.C
4.D 根據(jù)兩向量所成的角的定義知選D.
5. B 當(dāng)a⊥b時,a•b=0(cos 〈a, b〉=0)?
6.C a=(1,2,-2)=- •b ∴a∥b.
7.C AB= =3.?
8.C ∵m∥n,故(8,3,a)=k(2b,6,5),?∴8=2bk,3=6k,a=5k,?
∴k= 故a= ,b=8,∴a+b= +8=
9.B ∵a⊥b ∴1•m+5•2-2(m+2)=0. ∴m=6.
10.B =(-1,0,-2), =(-4,9,0),∴a+b=(-5,9,-2).
11.C cos(a•b)= =- .
12.A?若 ,則a與b同向或反向,反之不成立.
13.-13 ∵a+b+c=0,∴(a+b+c)2=a2+b2+c2+2(ab+bc+ca)=0,?
∴ab+bc+ca=- (a2+b2+c2)=- (9+1+16)=-13.
14. ?cos〈a, b〉= .∴a,b所夾的角為 .
15.(-8,6,0) 由向量的數(shù)量的積求得.
16.9 S=absin〈a, b〉求得.
17.如圖,由AC⊥α,知AC⊥AB.?
過D作DD′⊥α,D′為垂足,則∠DBD′=30°,
〈 〉=120°,
∴CD2=
=
=b2+a2+b2+2b2cos120°=a2+b2.
∴CD=
點評:本題把線段轉(zhuǎn)化成向量表示,然后利用向量進(jìn)行運算.
18.如圖,建立空間坐標(biāo)系,則D(0,0,0)、A(2,0,0),B(2,2,0)
、C(0,2,0)、A1(2,0,4)、B1(2,2,4)、C1(0,2,4).
由題設(shè)可知E(2,1,0),F(xiàn)(1,2,4).
(1)令 的夾角為θ,?
則cosθ= .
∴ 的夾角為π-arccos .
(2)∴直線A1E與FC的夾角為arccos
19.如圖所示,不妨設(shè)正方體的棱長為1,且設(shè) =i, =j(luò), =k,
以i、j、k的坐標(biāo)向量建立空間直角坐標(biāo)系D—xyz,
則 =(-1,0,0), =(0, ,-1),?
• =(-1,0,0)•(0, ,-1)=0,∴AD⊥D1F.
又 =(0,1, ), =(0, ,-1),
∴ • =(0,1, )•(0, ,-1)= - =0.
∴AE⊥D1F,又AE∩AD=A, ∴D1F⊥平面ADE.
點評:利用向量法解決立體幾何問題,首先必須建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系.
20.證明:∵
=2
=
∴A1,B1,C1,D1四點共面.
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