高中数学人教A版 (2019)选择性必修 第一册第一章 空间向量与立体几何1.3 空间向量及其运算的坐标表示背景图课件ppt

1.3.1空间直角坐标系

(人教A版普通高中教科书数学选修第一册第一章)

一、教学目标

1.了解空间直角坐标系

2.理解空间直角坐标系的知识形成过程和原理，会用空间直角坐标系刻画点的位置，掌握空间向量的坐标表示

3.学会用空间直角坐标系解决数学问题和实际问题，体会类比归纳的数学思想

二、教学重难点

重点：空间直角坐标系的建立

难点：空间向量的坐标表示

三、教学过程

1.概念形成

1.1复习引入，引发思考

问题1：请同学们回忆上节课的内容，什么是空间向量基本定理？它的用途是什么？你能举出一些具体的例子吗？

【预设的答案】

空间向量基本定理：如果三个向量不共面,那么对任意一个空间向量,存在唯一的有序实数组,使得． 我们把叫做空间的一个基底，都叫做基向量．所有空间向量组成的集合就是

应用：可以利用基底表示任意一个空间向量，进而把空间向量的运算转化为基向量的运算，为解决问题带来方便；比如用基底法判断空间中线、面的位置关系（教材P15-习题6、7），用基底法求空间中线段的长度（教材P15-习题5）。

【设计意图】让学生回忆空间向量基本定理以及应用，让学生体会基底概念的引入为几何问题代数化奠定基础，也为本节课的知识内容做好铺垫，加强知识间的联系.

问题2：请同学们回忆平面向量与平面直角坐标系之间的联系和对应关系，能否利用空间向量基本定理和空间的单位正交基底，建立空间直角坐标系，进而建立空间向量的坐标与空间点的坐标的一一对应呢？

【预设的答案】在平面向量中，我们以平面直角坐标系中的与x轴、y轴方向相同的两个单位向量i, j为基底，结合平面向量基本定理，建立了向量的坐标与点的坐标的一一对应关系，从而把平面向量的运算化归为数的运算。学生提出可以尝试进行类比，将知识拓展到空间。

【设计意图】让学生回忆平面直角坐标系表示向量及进行运算的形成过程，为本节课的知识内容做铺垫，同时体会类比的数学思想。

1.2合情推理，形成概念

【探究一】类比平面直角坐标系，你能猜想如何构建空间直角坐标系吗？以小组为单位进行讨论。

【活动预设】通过类比的数学思想尝试构建空间直角坐标系。

【设计意图】以讨论的形式加强学生间的交流和合作探究能力，为后续建立空间直角坐标系与空间向量之间的联系做铺垫。

问题3：平面直角坐标系包含哪些要素？类比到空间直角坐标系应该有哪些要素？它们需要满足什么条件？引导学生填写表格。

【活动预设】

【设计意图】学生自主或通过讨论完成表格，体会坐标系的三要素、平面直角坐标系与空间直角坐标系的异同。

问题4：利用单位正交基底概念，我们可以如下这样理解平面直角坐标系（给出左边表格内容，让学生自主简述右边表格内容）。类比到空间，你能否给出空间直角坐标系的定义呢？

【活动预设】

教师讲授：空间直角坐标系定义：

在空间选定一点和一个单位正交基底, , . 以点为原点，分别以，，的方向为正方向、以它们的长为单位长度建立三条数轴：轴、轴、轴，它们都叫做坐标轴. 这时我们就建立了一个空间直角坐标系，叫做原点，，，都叫做坐标向量，通过每两个坐标轴的平面叫做坐标平面，分别称为平面，平面，平面，它们把空间分成八个部分.

【设计意图】利用单位正交基底的概念，类比平面直角坐标系，自然而然地生成空间直角坐标系的定义。

问题5：请回忆平面直角坐标系是怎么画的？空间坐标系又如何画呢？回忆学习立体几何时用到的斜二测画法。先讨论，再找学生代表板演讲解。

【活动预设】

学生回想平面直角坐标系Oxy的画法：在平面内画两条与单位正交基底向量i, j方向相同的数轴x轴和y轴，它们互相垂直、原点重合。

拓展到空间中，在x轴和y轴的基础上添加与x轴和y轴都垂直的z轴。

借鉴在立体几何中学习的斜二测画法，在画空间直角坐标系Oxy时，让x轴与y轴所成的角为135°(或45°)，即∠xOy=135°(或45°)，画z轴和y轴垂直，即∠yOz=90°

在空间直角坐标系中，让右手拇指指向x轴的正方向，食指指向y轴的正方向，如果中指指向z轴的正方向，则称这个坐标系为右手直角坐标系.

【设计意图】

（1）通过回忆斜二测画法掌握直角坐标系的画法；

（2）直观感受直角坐标系的图像与立体感。

1.3具体感知，理性分析

【探究二】在平面直角坐标系中，每一个点和向量都可以用一对有序实数（即它的坐标）表示，对空间直角坐标系中的每一个点和向量，是否也有类似的表示呢？

问题6：空间中任意一点A与哪个向量的坐标相同？在空间直角坐标系中如何定义的坐标呢？那么对于给定的向量a又该如何定义它的坐标呢？

【活动预设】

（1）点A的坐标与从原点出发的坐标相同

（2）

所以，在单位正交基底｛i, j, k｝下与向量对应的有序实数组(x, y, z)叫做点A在空间直角坐标系中的坐标，记做A(x, y, z)，其中x叫做点A的横坐标，y叫做点A的纵坐标，z叫做点A的竖坐标。

（3）因为空间向量是可以进行平移的，我们在空间直角坐标系Oxyz中可以作=a。由空间向量基本定理，存在唯一的有序实数组(x, y, z)，使a=xi+yj+zk,有序实数组(x, y, z)叫做a在空间直角坐标系Oxyz中的坐标，上式可简记为

a=(x, y, z)

这样，在空间直角坐标系中，空间中的点和向量都可以用三个有序实数表示。

【设计意图】通过层层启发和类比思想，引导学生理解空间直角坐标系中每一个点和向量的表示与一一对应关系。

【探究三】在空间直角坐标系Oxyz中，对空间任意一点A，或任意一个向量，你能借助几何直观确定它们的坐标(x, y, z)吗？

过点分别作垂直于x轴、y轴、z轴的平面，依次交x轴、y轴、z轴于点B,C和D. 可以证明在x轴、y轴、z轴上的投影向量分别为，由向量加法的意义可知，,,即. 设点B,C和D在x轴、y轴、z轴上的坐标分别是x、y、z，那么=xi+yj+zk，即点或者向量的坐标就是(x, y, z).

【设计意图】从空间向量基本定理出发，得到空间内任意点和向量的坐标表示.

2.初步应用，理解概念

例1：如图，在长方体中，，，，以，，为单位正交基底，建立如图所示的空间直角坐标系.

（1）写出，，，四点的坐标；

（2）写出向量,,,的坐标.

【预设的答案】（1）D´(0,0,2)   C (0,4,0)   A´(3,0,2)    B´(3,4,2)

（2）

=，，

      -，，

例2：在长方体中，，，，与相交于点，建立如图所示的空间直角坐标系.

（1）写出点的坐标；

（2）写出向量，的坐标.

【设计意图】

通过例题加深对于空间直角坐标系和点、向量坐标表示的理解，巩固强化。

3.归纳小结，文化渗透

思考：本节课同学们的收获是什么？

【活动预设】

 通过本节课的探究学习，我们体会到类比思想在数学研究中的重要作用，它引领我们从二维的平面直角坐标系拓展到三维的空间直角坐标系，将空间点和空间向量与有序数组建立一一对应的关系，实现了形向数的转化，提供了解决几何问题的新思路.

【设计意图】

（1）对整节课的内容进行归纳整理，形成知识框架；

（2）渗透数学文化，体会数学来源于生活，服务于生活，解决实际问题，增强学习数学的兴趣.

四、课外作业

1、完成教材对应的练习题，布置分层作业

2、自主预习下一节课的知识内容