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备战2025年高考数学精品教案第七章立体几何与空间向量第5讲空间向量及空间位置关系(Word版附解析)
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这是一份备战2025年高考数学精品教案第七章立体几何与空间向量第5讲空间向量及空间位置关系(Word版附解析),共15页。
学生用书P154
1.空间向量的三个定理
规律总结
应用共线(面)向量定理证明点共线(面)的方法
2.空间向量的坐标运算
设a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3),则
(1)a±b=(a1±b1,a2±b2,a3±b3);
(2)λa=(λa1,λa2,λa3)(λ∈R);
(3)a·b=⑤ a1b1+a2b2+a3b3 ;
(4)a∥b⇔a=λb(b≠0)⇔⑥ a1=λb1,a2=λb2,a3=λb3(λ∈R) ;
(5)a⊥b⇔a·b=0⇔⑦ a1b1+a2b2+a3b3=0 ;
(6)|a|=a·a=a12+a22+a32;
(7)cs<a,b>=a·b|a||b|=a1b1+a2b2+a3b3a12+a22+a32·b12+b22+b32.
规律总结
空间两点间的距离及中点坐标公式
设点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2)是空间中两点,则
(1)AB=⑧ (x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2 ;
(2)线段AB的中点坐标为(x1+x22,y1+y22,z1+z22).
3.直线的方向向量和平面的法向量
思维拓展
确定平面法向量的方法
(1)直接法:观察是否有垂直于平面的直线,若有,则此直线的方向向量就是平面的法向量.
(2)待定系数法:建立空间直角坐标系,找出(求出)平面内的两个不共线的向量,如
a=(a1,a2,a3),b=(b1,b2,b3),设平面的法向量为n=(x,y,z),则n·a=0,n·b=0,解方程组,取其中的一组解,即得平面的一个法向量.
注意 n=(0,0,0)不能作为法向量.
方法技巧
向量的叉乘a×b运算得出的是与a,b垂直的向量,所以可以利用叉乘计算平面的法向量,运算法则如下:
i,j,k分别表示x,y,z轴正方向的单位向量,a=(x1,y1,z1),b=(x2,y2,z2),则a×b=i j kx1 y1 z1x2 y2 z2=(y1z2-y2z1)i-(x1z2-x2z1)j+(x1y2-x2y1)k=(y1z2-y2z1,-x1z2+x2z1,x1y2-x2y1).
4.空间位置关系的向量表示
1.下列说法正确的是( C )
A.直线的方向向量是唯一确定的
B.若直线a的方向向量和平面α的法向量平行,则a∥α
C.若两平面的法向量平行,则两平面平行
D.若直线a的方向向量与平面α的法向量垂直,则a∥α
2.已知A(1,0,0),B(0,1,0),C(0,0,1),则下列向量是平面ABC的一个法向量的是( C )
A.(-1,1,1)B.(1,-1,1)
C.(-33,-33,-33)D.(33,33,-33)
3.在空间直角坐标系中,A(1,1,-2),B(1,2,-3),C(-1,3,0),D(x,y,z)(x,y,z∈R),若A,B,C,D四点共面,则( A )
A.2x+y+z=1B.x+y+z=0C.x-y+z=-4D.x+y-z=0
4.已知向量a=(1,0,-1),则下列向量中与a成60°夹角的是( B )
A.(-1,1,0)B.(1,-1,0)C.(0,-1,1)D.(-1,0,1)
5.[教材改编]已知u=(3,a+b,a-b)(a,b∈R)是直线l的方向向量,n=(1,2,3)是平面α的法向量.若l∥α,则a与b的关系式为 5a-b+3=0 ;若l⊥α,则a+b= 6 .
解析 由题意可知,若l∥α,则u·n=0,即3+2(a+b)+3(a-b)=0,整理得5a-b+3=0.
若l⊥α,则存在实数λ,使得u=λn,即(3,a+b,a-b)=λ(1,2,3),则3=λ,a+b=2λ,a-b=3λ,解得λ=3,a=152,b=-32,则a+b=6.
学生用书P156
命题点1 空间向量的基本定理
例1 (1)已知空间任意一点O和不共线的三点A,B,C,且有OP=xOA+yOB+zOC(x,y,z∈R),则x=2,y=-3,z=2是P,A,B,C四点共面的( A )
A.充分不必要条件B.必要不充分条件
C.充要条件D.既不充分又不必要条件
解析 由题可知,要使P,A,B,C四点共面,则需x+y+z=1.当x=2,y=-3,z=2时满足条件,所以x=2,y=-3,z=2是P,A,B,C四点共面的充分条件;反之,当四点共面时,只要x+y+z=1即可,不一定要取x=2,y=-3,z=2,所以x=2,y=-3,z=2不是P,A,B,C四点共面的必要条件.故x=2,y=-3,z=2是P,A,B,C四点共面的充分不必要条件.
(2)在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,M为A1C1与B1D1的交点,若AB=a,AD=b,AA1=c,则下列向量中与BM相等的向量是( B )
A.12a+12b+cB.-12a+12b+c
C.-12a-12b+cD.12a-12b+c
解析 如图,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,M为A1C1与B1D1的交点,故A1M=12(A1B1+A1D1)=12a+12b,故BM=BA+AA1+A1M=
-AB+AA1+12a+12b=-a+c+12a+12b=-12a+12b+c,故选B.
方法技巧
1.证明空间四点共面的方法
(1)利用共线向量定理;(2)利用共面向量定理.
2.空间基底的要求是不共面的三个向量.
训练1 [多选]如图,在四面体PABC中,以下说法正确的有( ABC )
A.若AD=13AC+23AB,则BC=3BD
B.若Q为△ABC的重心,则PQ=13PA+13PB+13PC
C.若PA·BC=0,PC·AB=0,则PB·AC=0
D.若四面体PABC各棱长都为2,M,N分别为PA,BC的中点,则|MN|=1
解析 对于A,∵AD=13AC+23AB,∴3AD=AC+2AB,∴2AD-2AB=AC-AD,∴2BD=DC,则3BD=BD+DC=BC,即3BD=BC,故A正确;
对于B,∵Q为△ABC的重心,则QA+QB+QC=0,∴3PQ+QA+QB+QC=3PQ,
∴(PQ+QA)+(PQ+QB)+(PQ+QC)=3PQ,则PA+PB+PC=3PQ,即PQ=13PA+13PB+13PC,故B正确;
对于C,若PA·BC=0,PC·AB=0,则PA·BC+PC·AB=0,∴PA·BC+PC·(AC+CB)=0,∴PA·BC+PC·AC+PC·CB=0,即PA·BC+PC·AC-PC·BC=0,∴(PA-PC)·BC+PC·AC=0,∴CA·BC+PC·AC=0,则AC·CB+PC·AC=0,∴AC·(PC+CB)=0,即AC·PB=0,故C正确;
对于D,连接PN,∵MN=PN-PM=12(PB+PC)-12PA=12(PB+PC-PA),∴|MN|=12|PB+PC-PA|=12|PA-PB-PC|,
又|PA-PB-PC|2=PA2+PB2+PC2-2PA·PB-2PA·PC+2PC·PB=22+22+22-2×2×2×12-2×2×2×12+2×2×2×12=8,∴|MN|=2,故D错误.故选ABC.
命题点2 空间向量的坐标运算
例2 (1)若向量a=(1,1,x),b=(1,2,1),c=(1,1,1),且(c-a)·
(2b)=-2,则x= 2 .
解析 c-a=(0,0,1-x),(c-a)·(2b)=(0,0,1-x)·2(1,2,1)=2(1-x)=-2,解得x=2.
(2)如图,已知直三棱柱ABC-A1B1C1中,CA=CB=1,∠BCA=90°,棱AA1=2,N是A1A的中点,则|BN|= 3 ,cs<BA1,CB1>= 3010 .
解析 如图,以C为原点,CA,CB,CC1的方向分别为x,y,z轴正方向建立空间直角坐标系Cxyz.依题意得B(0,1,0),N(1,0,1).
∴|BN|=(1-0)2+(0-1)2+(1-0)2=3.
依题意得A1(1,0,2),C(0,0,0),B1(0,1,2).
∴BA1=(1,-1,2),CB1=(0,1,2),
∴BA1·CB1=3,|BA1|=6,|CB1|=5.
∴cs<BA1,CB1>=BA1·CB1|BA1||CB1|=3010.
方法技巧
空间向量的概念以及空间向量的加、减、数乘、数量积运算及其坐标表示是平面向量的类比推广.
训练2 (1)[多选]已知空间向量a=(2,-2,1),b=(3,0,4),则下列说法正确的是( BC )
A.向量c=(-8,5,6)与a,b垂直
B.向量d=(1,-4,-2)与a,b共面
C.若a与b分别是异面直线l1与l2的方向向量,则l1与l2所成的角的余弦值为23
D.向量a在向量b上的投影向量为(6,0,8)
解析 对于A选项,a·c=-16-10+6≠0,b·c=-24+24=0,故c与a不垂直,A错;
对于B选项,设d=ma+nb,则m(2,-2,1)+n(3,0,4)=(1,-4,-2),
所以2m+3n=1,-2m=-4,m+4n=-2,解得m=2,n=-1,即2a-b=d,B对;
对于C选项,因为cs<a,b>=a·b|a|·|b|=103×5=23,
所以异面直线l1与l2所成的角的余弦值为23,C对;
对于D选项,向量a在向量b上的投影向量|a|cs<a,b>·b|b|=3×23×15(3,0,4)=(65,0,85),D错.
故选BC.
(2)已知e1,e2是空间单位向量,e1·e2=12.若空间向量b满足b·e1=2,b·e2=52,且对于任意x,y∈R,|b-(xe1+ye2)|≥|b-(x0e1+y0e2)|=1(x0,y0∈R),则 x0= 1 ,y0= 2 ,|b|= 22 .
解析 由题意可令b=x0e1+y0e2+e3,其中|e3|=1,e3⊥ei,i=1,2.
由b·e1=2得x0+y02=2,由b·e2=52得x02+y0=52,由x0+y02=2,x02+y0=52,解得x0=1,y0=2,
则b=e1+2e2+e3,∴|b|=(e1+2e2+e3)2=22.
命题点3 利用向量法证明平行与垂直问题
例3 [2021浙江高考]如图,已知正方体ABCD-A1B1C1D1,M,N分别是A1D,D1B的中点,则( A )
A.直线A1D与直线D1B垂直,直线MN∥平面ABCD
B.直线A1D与直线D1B平行,直线MN⊥平面BDD1B1
C.直线A1D与直线D1B相交,直线MN∥平面ABCD
D.直线A1D与直线D1B异面,直线MN⊥平面BDD1B1
解析 解法一 以点D为坐标原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴、y轴、z轴,DA,DC,DD1的方向分别为x轴、y轴、z轴正方向建立空间直角坐标系.设AB=2,则A1(2,0,2),D(0,0,0),D1(0,0,2),B(2,2,0),所以M(1,0,1),N(1,1,1),所以A1D=(-2,0,-2),D1B=(2,2,-2),MN=(0,1,0),所以A1D·D1B=-4+0+4=0,所以A1D⊥D1B.又由题图易知直线A1D与BD1是异面直线,所以A1D与BD1异面且垂直,故B,C不正确.因为平面ABCD的一个法向量为n=(0,0,1),所以MN·n=0,所以MN∥平面ABCD,故A正确.设直线MN与平面BDD1B1所成的角为θ,因为平面BDD1B1的一个法向量为a=(-1,1,0),所以sin θ=|cs<MN,a>|=|MN·a||MN|·|a|=12=22,所以直线MN与平面BDD1B1不垂直,故D不正确.故选A.
解法二 连接AD1,则易得点M在AD1上,且AD1⊥A1D.因为AB⊥平面AA1D1D,所以AB⊥A1D,又AB∩AD1=A,所以A1D⊥平面ABD1,所以A1D与BD1异面且垂直,故B,C不正确.在△ABD1中,由中位线定理可得MN∥AB,又MN⊄平面ABCD,AB⊂平面ABCD,所以MN∥平面ABCD,故A正确.易知直线AB与平面BB1D1D成45°角,所以MN与平面BB1D1D不垂直,故D不正确.故选A.
方法技巧
1.利用空间向量证明平行问题的方法
2.利用空间向量证明垂直问题的方法
注意 用向量法证明平行与垂直问题时,要注意解题的规范性.如证明线面平行时,需要说明一条直线在平面内,另一条直线在平面外.
训练3 如图,在矩形ABCD中,AB=2BC,P,Q分别为线段AB,CD的中点,EP⊥平面ABCD.
求证:(1)AQ∥平面CEP;
(2)平面AEQ⊥平面DEP.
解析 (1)如图,连接PQ,因为四边形ABCD为矩形,且P,Q分别为线段AB,CD的中点,则PQ⊥AB.
易知PA,PQ,PE两两垂直,以P为坐标原点,分别以PA,PQ,PE所在直线为x轴、y轴、z轴建立如图所示的空间直角坐标系.
设AB=2,PE=a,则P(0,0,0),A(1,0,0),Q(0,1,0),E(0,0,a),C(-1,1,0),D(1,1,0).
所以AQ=(-1,1,0),PC=(-1,1,0),所以AQ∥PC,即AQ∥PC.(证明平面外直线的方向向量与平面内某直线的方向向量平行)
又AQ⊄平面CEP,PC⊂平面CEP,(注意说明前提条件)
所以AQ∥平面CEP.
(2)由(1)知PD=(1,1,0),PE=(0,0,a),
因为AQ·PD=(-1,1,0)·(1,1,0)=-1+1=0,所以AQ⊥PD,即AQ⊥PD.
因为AQ·PE=(-1,1,0)·(0,0,a)=0,所以AQ⊥PE,即AQ⊥PE.(证明直线方向向量与平面内两条相交直线的方向向量都垂直)
又PD∩PE=P,PE,PD⊂平面DEP,所以AQ⊥平面DEP,
又AQ⊂平面AEQ,(注意说明前提条件)
所以平面AEQ⊥平面DEP.
1.[命题点1/2024北京市陈经纶中学模拟]在正方体ABCD-A1B1C1D1中,点E为上底面A1C1的中心,若AE=AA1+xAB+yAD,则x= 12 ,y= 12 .
解析 如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,因为点E为上底面A1C1的中心,所以A1E=12(A1B1+A1D1)=12(AB+AD),故AE=
AA1+A1E=AA1+12AB+12AD,
因为AE=AA1+xAB+yAD,
所以x=y=12.
2.[命题点1,2]已知向量a=(2,-1,3),b=(-1,4,-2),c=(7,5,λ),若a,b,c三向量共面,则实数λ= 657 .
解析 因为a,b,c共面,所以设a=xb+yc,故(2,-1,3)=x(-1,4,-2)+
y(7,5,λ),即-x+7y=2,4x+5y=-1,-2x+λy=3,解得λ=657.
3.[命题点3]如图,在四面体A-BCD中,AD⊥平面BCD,BC⊥CD,AD=2,BD=22,M是AD的中点,P是BM的中点,点Q在线段AC上,且AQ=3QC.求证:PQ∥平面BCD.
解析 如图,以C为原点,CD,CB的方向分别为x轴、y轴正方向,过点C作底面BCD的垂线为z轴,建立空
间直角坐标系,则AD∥z轴.
设CD=a,因为P为BM的中点,AQ=3QC,
所以D(a,0,0),A(a,0,2),M(a,0,1),B(0,8-a2,0),P(a2,8-a22,12),Q(a4,0,12),所以PQ=(-a4,-8-a22,0).
又平面BCD的一个法向量n=(0,0,1),
所以PQ·n=0,
又PQ⊄平面BCD,所以PQ∥平面BCD.
学生用书·练习帮P339
1.以下各选项中的三个向量,不能构成空间基底的是( A )
A.a=(1,0,0),b=(0,2,0),c=(12,-2,0)
B.a=(1,0,0),b=(0,1,0),c=(0,0,2)
C.a=(1,0,1),b=(0,1,1),c=(2,1,2)
D.a=(1,1,1),b=(0,1,0),c=(1,0,2)
解析 若空间三个向量a,b,c能构成空间的一个基底,则向量a,b,c不共面,对于选项A,因为a=(1,0,0),b=(0,2,0),c=(12,-2,0),则c=12a-22b,即向量a,b,c共面,故选项A中的三个向量不能构成空间基底.选项B,C,D中的三个向量均不共面,即都能构成空间基底.
2.已知直线l1的一个方向向量a=(2,4,x),直线l2的一个方向向量b=(2,y,2),若|a|=6,且l1⊥l2,则x+y的值是( A )
A.-3或1B.3或-1
C.-3D.1
解析 ∵|a|= 22+42+x2=6,∴x=±4.∵l1⊥l2,∴a⊥b,∴a·b=2×2+4y+2x=0,∴y=-1-12x.∴当x=4时,y=-3;当x=-4时,y=1.∴x+y=-3或x+y=1.
3.已知a=(1,2,-y),b=(x,1,2),且(a+2b)∥(2a-b),则 ( B )
A.x=13,y=1B.x=12,y=-4
C.x=2,y=-14D.x=1,y=-1
解析 由题意知,a+2b=(2x+1,4,4-y),2a-b=(2-x,3,-2y-2).∵(a+2b)∥(2a-b),∴存在实数λ,使a+2b=λ(2a-b),
∴2x+1=λ(2-x),4=3λ,4-y=λ(-2y-2),解得λ=43,x=12,y=-4.
4.[多选/2024广东佛山一中校考]下列关于空间向量的命题中,正确的有( BD )
A.直线l的一个方向向量是a=(0,3,0),平面α的一个法向量是u=(0,-5,0),则l∥α
B.若a,b,c可构成空间的一个基底,则向量a+b,b+c,c+a也可构成空间的一个基底
C.若非零向量a,b,c满足a⊥b,b⊥c,则有a∥c
D.若OA,OB,OC可构成空间的一个基底,且OD=13OA+13OB+13OC,则A,B,C,D四点共面
解析 对于A,直线l的一个方向向量为a=(0,3,0),平面α的一个法向量是u=(0,-5,0),此时a=-35u,所以l⊥α,故A错误;
对于B,因为a,b,c可构成空间的一个基底,所以对于空间中的任意一个向量m,存在唯一的有序实数组(x,y,z),使得m=xa+yb+zc=x+y-z2(a+b)+y+z-x2·(b+c)+x+z-y2(a+c),由空间向量的基本定理可知,向量a+b,b+c,c+a也可构成空间的一个基底,故B正确;
对于C,若非零向量a,b,c满足a⊥b,b⊥c,则a与c关系不定,有可能平行,故C错误;
对于D,若OA,OB,OC可构成空间的一个基底,且OD=13OA+13OB+13OC,13+13+13=1,易知A,B,C,D四点共面,故D正确.故选BD.
5.[2024浙江台州模拟]如图,三棱锥P-ABC中,PA⊥平面ABC,AB⊥BC,且AB=BC=2,AP=a.若D是棱PC上的点,满足PD=13PC,且AD⊥PB,则a= 2 .
解析 因为PA⊥平面ABC,AB,BC⊂平面ABC,所以PA⊥AB,PA⊥BC,又AB⊥BC,故PA,AB,BC两两垂直,以A为坐标原点,AB,AP所在直线分别为y轴,z轴,平行于BC的直线为x轴,建立如图所示的空间直角坐标系,故A(0,0,0),B(0,2,0),C(2,2,0),P(0,0,a),因为PD=13PC,所以D(23,23,23a),因为AD⊥PB,所以AD·PB=(23,23,23a)·(0,2,-a)=43-23a2=0,解得a=2.
6.[2024辽宁省部分名校联考]已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,P是空间内的动点,且|PB+PD1|=23,则AP·PB的最大值为( B )
A.-8B.-4+26C.13D.1
解析 如图,连接BD1,取BD1的中点M,连接PM,则PB+PD1=2PM,则|PB+PD1|=|2PM|=23,即|PM|=3,故动点P的轨迹为以M为球心,3为半径的球.由正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,可知正方体ABCD-A1B1C1D1外接球的半径为3,故动点P的轨迹为正方体ABCD-A1B1C1D1的外接球.
取AB的中点N,连接PN,MN,则AP·PB=-(PN+NA)·(PN+NB)=-(PN+NA)·(PN-NA)=NA2-PN2=1-PN2.
由题可知,|MN|=2,则3-2≤|PN|≤3+2,5-26≤|PN|2≤5+26,则-4-26≤1-PN2≤-4+26.
所以AP·PB的最大值为-4+26,故选B.
7.[多选/2024浙江联考]如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,AA1=2,点M,N分别在棱AB和BB1上运动(不含端点),若D1M⊥MN,则下列命题正确的是( AD )
A.MN⊥A1M
B.MN⊥平面D1MC
C.线段BN长度的最大值为1
D.三棱锥D1-A1C1M体积不变
解析 如图,以D为坐标原点,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A1(2,0,2),D1(0,0,2),设M(2,a,0),N(2,2,b),a,b∈(0,2),则D1M=(2,a,-2),MN=(0,2-a,b),又D1M⊥MN,所以D1M·MN=a(2-a)-2b=0,得b=a(2-a)2.
对于A,A1M=(0,a,-2),所以A1M·MN=a(2-a)-2b=0,故A1M⊥MN,故A正确;
对于B,C(0,2,0),MC=(-2,2-a,0),MN·MC=(2-a)2≠0,所以MN与MC不垂直,则MN不垂直于平面D1MC,故B错误;
对于C,B(2,2,0),|BN|=b=a(2-a)2=-12(a-1)2+12,a∈(0,2),所以当a=1时,|BN|取得最大值12,故C错误;
对于D,VD1-A1C1M=VM-A1C1D1=13×SA1C1D1×AA1=13×12×2×2×2=43,故D正确.故选AD.
8.[多选/2024广东清远模拟]如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为2,点O为底面ABCD的中心,点P为侧面BB1C1C内(不含边界)的动点,则( AC )
A.D1O⊥AC
B.存在点P,使得D1O∥B1P
C.三棱锥A-D1DP的体积为43
D.若D1O⊥PO,则C1P的最小值为85
解析 以点D为坐标原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,则A(2,0,0),C(0,2,0),D(0,0,0),D1(0,0,2),B1(2,2,2),C1(0,2,2),O(1,1,0),设点P(x,2,z),其中0<x<2,0<z<2.
对于A选项,AC=(-2,2,0),D1O=(1,1,-2),则AC·D1O=-2+2=0,所以D1O⊥AC,故A正确;
对于B选项,B1P=(x-2,0,z-2),D1O=(1,1,-2),若B1P∥D1O,则x-21=01=z-2-2,解得x=z=2,不符合题意,所以不存在点P,使得B1P∥D1O,故B错误;
对于C选项,S△ADD1=12×22=2,点P到平面ADD1的距离为2,所以VA-DD1P=VP-ADD1=13×2×2=43,故C正确;
对于D选项,OP=(x-1,1,z),若D1O⊥PO,则D1O·OP=x-1+1-2z=x-2z=0,可得x=2z,
由0
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这是一份备战2025年高考数学精品教案第七章立体几何与空间向量第4讲空间直线、平面的垂直(Word版附解析),共16页。