高中数学 第三章 空间向量与立体几何 3.2 立体几何中的向量方法（3）向量法解决空间角和距离问题课件 新人教A版选修21.ppt

3 2立体几何中的向量方法 三 向量法解决空间角和距离问题 学习目标1 理解直线与平面所成角 二面角的概念 2 掌握向量法解决空间角和距离问题 3 体会空间向量解决立体几何问题的三步曲 题型探究 问题导学 内容索引 当堂训练 问题导学 知识点一利用空间向量求空间角 思考1 空间角包括哪些角 线线角 线面角 二面角 答案 思考2 求解空间角常用的方法有哪些 传统方法和向量法 答案 梳理 空间角包括线线角 线面角 二面角 这三种角的定义确定了它们相应的取值范围 结合它们的取值范围可以用向量法进行求解 1 线线角 设两条直线的方向向量分别为a b 且a与b的夹角为 两条直线所成角为 则cos 2 线面角 设n为平面 的一个法向量 a为直线a的方向向量 直线a与平面 所成的角为 则 cos 3 二面角 转化为分别在二面角的两个半平面内且与棱都垂直的两条直线上的方向向量的夹角 注意 要特别关注两个向量的方向 先求出二面角一个面内一点到另一面的距离及到棱的距离 然后通过解直角三角形求角 如图所示 已知二面角 l 在 内取一点p 过p作po pa l 垂足分别为o a 连接ao 则ao l成立 所以 pao就是二面角的平面角 先求出二面角的两个半平面的法向量的夹角 然后结合图形与题意判断求出的是二面角的大小 还是它的补角的大小 从而确定二面角的大小 知识点二利用空间向量求距离 思考1 求点到直线距离的常用方法有哪些 1 找垂线段 求其长度 2 利用等面积法 3 借助向量的模 利用数量积的几何意义求解 答案 思考2 求点到平面的距离的常用方法有哪些 1 确定垂线段法 2 等体积法 3 空间向量法 答案 梳理 1 点到直线的距离 2 点到平面的距离用空间向量法求点到平面的距离具体步骤如下 线面距离 面面距离都可以转化为点到平面的距离 因此 只要掌握点到平面距离的求法 就可解决其他的距离问题 题型探究 类型一求两条异面直线所成的角 例1如图 在三棱柱oab o1a1b1中 平面obb1o1 平面oab o1ob 60 aob 90 且ob oo1 2 oa 求异面直线a1b与ao1所成角的余弦值的大小 解答 在解决立体几何中两异面直线所成角问题时 若能构建空间直角坐标系 则建立空间直角坐标系 利用向量法求解 但应用向量法时一定要注意向量所成角与异面直线所成角的区别 反思与感悟 跟踪训练1已知正方体abcd a1b1c1d1中 e f分别是a1d1 a1c1的中点 求异面直线ae与cf所成角的余弦值 解答 不妨设正方体棱长为2 分别取da dc dd1所在直线为x轴 y轴 z轴 建立如图所示空间直角坐标系 则a 2 0 0 c 0 2 0 e 1 0 2 f 1 1 2 类型二求直线和平面所成的角 例2已知正三棱柱abc a1b1c1的底面边长为a 侧棱长为a 求ac1与侧面abb1a1所成的角 解答 方法一取a1b1的中点m 则mc1 ab mc1 aa1 又ab aa1 a mc1 平面abb1a1 c1am是ac1与侧面abb1a1所成的角 又直线与平面所成的角在 0 90 范围内 ac1与侧面abb1a1所成的角为30 设侧面abb1a1的法向量为n y z y z 0 故n 0 0 又直线与平面所成的角在 0 90 范围内 ac1与侧面abb1a1所成的角为30 反思与感悟 用向量法求线面角的一般步骤是先利用图形的几何特征建立适当的空间直角坐标系 再用向量的有关知识求解线面角 方法二给出了用向量法求线面角的常用方法 即先求平面法向量与斜线夹角 再进行换算 跟踪训练2如图所示 已知直角梯形abcd 其中ab bc 2ad as 平面abcd ad bc ab bc 且as ab 求直线sc与底面abcd的夹角 的余弦值 解答 由题设条件知 以点a为坐标原点 分别以ad ab as所在直线为x轴 y轴 z轴 建立空间直角坐标系 如图所示 类型三求二面角 例3在底面为平行四边形的四棱锥p abcd中 ab ac pa 平面abcd 且pa ab e是pd的中点 求平面eac与平面abcd的夹角 解答 方法一如图 以a为原点 分别以ac ab ap所在直线为x轴 y轴 z轴建立空间直角坐标系 设pa ab a ac b 连接bd与ac交于点o 取ad中点f d b a 0 p 0 0 a eof等于平面eac与平面abcd的夹角 或补角 平面eac与平面abcd的夹角为45 方法二建系如方法一 pa 平面abcd 设平面aec的法向量为m x y z x 0 y z 取m 0 1 1 平面aec与平面abcd的夹角为45 反思与感悟 1 当空间直角坐标系容易建立 有特殊的位置关系 时 用向量法求解二面角无需作出二面角的平面角 只需求出平面的法向量 经过简单的运算即可求出 有时不易判断两法向量的夹角的大小就是二面角的大小 相等或互补 但我们可以根据图形观察得到结论 因为二面角是钝二面角还是锐二面角一般是明显的 2 注意法向量的方向 一进一出 二面角等于法向量夹角 同进同出 二面角等于法向量夹角的补角 跟踪训练3若pa 平面abc ac bc pa ac 1 bc 求二面角a pb c的余弦值 解答 设平面pab的法向量为m x y z 设平面pbc的法向量为n x y z 令y 1 则z 1 故n 0 1 1 又 二面角a pb c是钝二面角 类型四向量法解决距离问题 命题角度1点线距离例4在正方体abcd a1b1c1d1中 e f分别是c1c d1a1的中点 求点a到直线ef的距离 解答 以d为坐标原点 分别以da dc dd1所在直线为x轴 y轴 z轴建立空间直角坐标系 如图 反思与感悟 用向量法求点到直线的距离的一般步骤 1 建立空间直角坐标系 2 求直线的方向向量 3 计算所求点与直线上某一点所构成的向量在直线的方向向量上的投影 4 利用勾股定理求点到直线的距离 另外 要注意平行直线间的距离与点到直线的距离之间的转化 跟踪训练4如图 在空间直角坐标系中有长方体abcd a b c d ab 1 bc 2 aa 3 求点b到直线a c的距离 解答 ab 1 bc 2 aa 3 a 0 0 3 c 1 2 0 b 1 0 0 命题角度2点面距离例5已知四边形abcd是边长为4的正方形 e f分别是边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 解答 设平面efg的一个法向量为n x y z 取y 1 则n 1 1 3 反思与感悟 利用向量法求点到平面的距离的一般步骤 1 建立空间直角坐标系 2 求出该平面的一个法向量 3 找出该点与平面内一点连线形成的斜线段对应的向量 4 法向量与斜线段对应向量的数量积的绝对值再除以法向量的模 即为点到平面的距离 跟踪训练5在正三棱柱abc a1b1c1中 d是bc的中点 aa1 ab 2 1 求证 a1c 平面ab1d 证明 令z 1 则y 0 x 2 n 2 0 1 a1c 平面ab1d a1c 平面ab1d 2 求点c1到平面ab1d的距离 解答 命题角度3线面距离与面面距离例6在直棱柱abcd a1b1c1d1中 底面为直角梯形 ab cd且 adc 90 ad 1 cd bc 2 aa1 2 e是cc1的中点 求直线a1b1与平面abe的距离 解答 设平面abe的一个法向量为n x y z y 0 x z 不妨取n 1 0 1 反思与感悟 1 求线面距离可以转化为求直线上任意一点到平面的距离 利用求点到平面的距离的方法求解即可 2 将两个平行平面间的距离转化为点到平面的距离 利用求点到平面的距离的方法求解即可 跟踪训练6已知正方体abcd a1b1c1d1的棱长为1 求平面a1bd与平面b1cd1间的距离 解答 设平面a1bd的一个法向量为n x y z 令z 1 得y 1 x 1 n 1 1 1 平面a1bd与平面b1cd1间的距离等于点d1到平面a1bd的距离 当堂训练 1 在一个二面角的两个半平面内 与二面角的棱垂直的两个向量分别为 0 1 3 2 2 4 则这个二面角的余弦值为 答案 解析 2 3 4 5 1 2 已知三棱锥o abc oa ob ob oc oc oa 且oa 1 ob 2 oc 2 则点a到直线bc的距离为 以o为坐标原点 建立如图所示的空间直角坐标系 由题意可知a 1 0 0 b 0 2 0 c 0 0 2 答案 解析 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 3 已知在正四棱柱abcd a1b1c1d1中 aa1 2ab 则cd与平面bdc1所成角的正弦值是 答案 解析 2 3 4 5 1 设aa1 2ab 2 则b 1 1 0 c 0 1 0 d 0 0 0 c1 0 1 2 设平面bdc1的法向量为n x y z 2 3 4 5 1 令z 1 则y 2 x 2 所以n 2 2 1 设直线cd与平面bdc1所成的角为 2 3 4 5 1 4 设a 2 3 1 b 4 1 2 c 6 3 7 d 5 4 8 则点d到平面abc的距离为 答案 解析 设平面abc的一个法向量为n x y z 令z 2 则n 3 2 2 2 3 4 5 1 5 在矩形abcd中 ab 1 bc pa 平面abcd pa 1 则pc与平面abcd所成的角是 30 所以斜线pc与平面abcd的法向量所在直线所成角为60 所以斜线pc与平面abcd所成角为30 答案 解析 2