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1、2022年高三數(shù)學第一輪復習單元講座 第36講 空間向量及其應用教案 新人教版
一.課標要求:
(1)空間向量及其運算
① 經歷向量及其運算由平面向空間推廣的過程;
② 了解空間向量的概念,了解空間向量的基本定理及其意義,掌握空間向量的正交分解及其坐標表示;
③ 掌握空間向量的線性運算及其坐標表示;
④ 掌握空間向量的數(shù)量積及其坐標表示,能運用向量的數(shù)量積判斷向量的共線與垂直。
(2)空間向量的應用
① 理解直線的方向向量與平面的法向量;
② 能用向量語言表述線線、線面、面面的垂直、平行關系;
③ 能用向量方法證明有關線、面位置關系的一些定理(包括三垂線定理);
④ 能用
2、向量方法解決線線、線面、面面的夾角的計算問題,體會向量方法在研究幾何問題中的作用。
二.命題走向
本講內容主要涉及空間向量的坐標及運算、空間向量的應用。本講是立體幾何的核心內容,高考對本講的考察形式為:以客觀題形式考察空間向量的概念和運算,結合主觀題借助空間向量求夾角和距離。
預測07年高考對本講內容的考查將側重于向量的應用,尤其是求夾角、求距離,教材上淡化了利用空間關系找角、找距離這方面的講解,加大了向量的應用,因此作為立體幾何解答題,用向量法處理角和距離將是主要方法,在復習時應加大這方面的訓練力度。
三.要點精講
1.空間向量的概念
向量:在空間,我們把具有大小和方向的量叫做向
3、量。如位移、速度、力等。
相等向量:長度相等且方向相同的向量叫做相等向量。
表示方法:用有向線段表示,并且同向且等長的有向線段表示同一向量或相等的向量。
說明:①由相等向量的概念可知,一個向量在空間平移到任何位置,仍與原來的向量相等,用同向且等長的有向線段表示;②平面向量僅限于研究同一平面內的平移,而空間向量研究的是空間的平移。
2.向量運算和運算率
加法交換率:
加法結合率:
數(shù)乘分配率:
說明:①引導學生利用右圖驗證加法交換率,然后推廣到首尾相接的若干向量之和;②向量加法的平行四邊形法則在空間仍成立。
3.平行向量(共線向量):如果表
4、示空間向量的有向線段所在的直線互相平行或重合,則這些向量叫做共線向量或平行向量。平行于記作∥。
注意:當我們說、共線時,對應的有向線段所在直線可能是同一直線,也可能是平行直線;當我們說、平行時,也具有同樣的意義。
共線向量定理:對空間任意兩個向量(≠)、,∥的充要條件是存在實數(shù)使=
注:⑴上述定理包含兩個方面:①性質定理:若∥(≠0),則有=,其中是唯一確定的實數(shù)。②判斷定理:若存在唯一實數(shù),使=(≠0),則有∥(若用此結論判斷、所在直線平行,還需(或)上有一點不在(或)上)。
⑵對于確定的和,=表示空間與平行或共線,長度為 ||,當>0時與同向,當<0時與反向的所有向量。
⑶
5、若直線l∥,,P為l上任一點,O為空間任一點,下面根據(jù)上述定理來推導的表達式。
推論:如果?l為經過已知點A且平行于已知非零向量的直線,那么對任一點O,點P在直線l上的充要條件是存在實數(shù)t,滿足等式
①
其中向量叫做直線l的方向向量。
在l上取,則①式可化為 ②
當時,點P是線段AB的中點,則 ③
①或②叫做空間直線的向量參數(shù)表示式,③是線段AB的中點公式。
注意:⑴表示式(﹡)、(﹡﹡)既是表示式①,②的基礎,也是常用的直線參數(shù)方程的表示形式;⑵推論的用途:解決三點共線問題。⑶結合三角形法則記憶方程。
4.
6、向量與平面平行:如果表示向量的有向線段所在直線與平面平行或在平面內,我們就說向量平行于平面,記作∥。注意:向量∥與直線a∥的聯(lián)系與區(qū)別。
共面向量:我們把平行于同一平面的向量叫做共面向量。
共面向量定理 如果兩個向量、不共線,則向量與向量、共面的充要條件是存在實數(shù)對x、y,使①
注:與共線向量定理一樣,此定理包含性質和判定兩個方面。
推論:空間一點P位于平面MAB內的充要條件是存在有序實數(shù)對x、y,使
④
或對空間任一定點O,有⑤
在平面MAB內,點P對應的實數(shù)對(x, y)是唯一的。①式叫做平面MAB的向量表示式。
又∵代入⑤,整理得
⑥
由于對于空間
7、任意一點P,只要滿足等式④、⑤、⑥之一(它們只是形式不同的同一等式),點P就在平面MAB內;對于平面MAB內的任意一點P,都滿足等式④、⑤、⑥,所以等式④、⑤、⑥都是由不共線的兩個向量、(或不共線三點M、A、B)確定的空間平面的向量參數(shù)方程,也是M、A、B、P四點共面的充要條件。
5.空間向量基本定理:如果三個向量、、不共面,那么對空間任一向量,存在一個唯一的有序實數(shù)組x, y, z, 使
說明:⑴由上述定理知,如果三個向量、、不共面,那么所有空間向量所組成的集合就是,這個集合可看作由向量、、生成的,所以我們把{,,}叫做空間的一個基底,,,都叫做基向量;⑵空間任意三個不共面向量都可
8、以作為空間向量的一個基底;⑶一個基底是指一個向量組,一個基向量是指基底中的某一個向量,二者是相關聯(lián)的不同的概念;⑷由于可視為與任意非零向量共線。與任意兩個非零向量共面,所以,三個向量不共面就隱含著它們都不是。
推論:設O、A、B、C是不共面的四點,則對空間任一點P,都存在唯一的有序實數(shù)組,使
6.數(shù)量積
(1)夾角:已知兩個非零向量、,在空間任取一點O,作,,則角∠AOB叫做向量與的夾角,記作
A
B
O
(1)
O
A
B
(2)
A
9、B
O
(3)
說明:⑴規(guī)定0≤≤,因而=;
⑵如果=,則稱與互相垂直,記作⊥;
A
B
O
(4)
⑶在表示兩個向量的夾角時,要使有向線段的起點重合,注意圖(3)、(4)中的兩個向量的夾角不同,
圖(3)中∠AOB=,
圖(4)中∠AOB=,
從而有==.
(2)向量的模:表示向量的有向線段的長度叫做向量的長度或模。
(3)向量的數(shù)量積:叫做向量、的數(shù)量積,記作。
A
B
l
即=,
向量:
(4)性質與運算率
⑴。 ⑴
⑵⊥=0 ⑵=
⑶
10、⑶
四.典例解析
題型1:空間向量的概念及性質
例1.有以下命題:①如果向量與任何向量不能構成空間向量的一組基底,那么的關系是不共線;②為空間四點,且向量不構成空間的一個基底,那么點一定共面;③已知向量是空間的一個基底,則向量,也是空間的一個基底。其中正確的命題是( )
①② ①③ ②③ ①②③
解析:對于①“如果向量與任何向量不能構成空間向量的一組基底,那么的關系一定共線”;所以①錯誤。②③正確。
點評:該題通過給出命題的形式考察了空間向量能成為一組基的條件,為此我們要掌握好空間不共面與不共線的區(qū)別與聯(lián)系。
例2.下列命題正確的是(
11、 )
若與共線,與共線,則與共線;
向量共面就是它們所在的直線共面;
零向量沒有確定的方向;
若,則存在唯一的實數(shù)使得;
解析:A中向量為零向量時要注意,B中向量的共線、共面與直線的共線、共面不一樣,D中需保證不為零向量。
答案C。
點評:零向量是一個特殊的向量,時刻想著零向量這一特殊情況對解決問題有很大用處。像零向量與任何向量共線等性質,要兼顧。
題型2:空間向量的基本運算
例3.如圖:在平行六面體中,為與的交點。若,,,則下列向量中與相等的向量是( )
解析:顯然;
答案為A。
點評:類比平面向量表達平面位置關系過程,掌握好空間向量的用途
12、。用向量的方法處理立體幾何問題,使復雜的線面空間關系代數(shù)化,本題考查的是基本的向量相等,與向量的加法.考查學生的空間想象能力。
例4.已知:且不共面.若∥,求的值.
解:∥,,且即
又不共面,
點評:空間向量在運算時,注意到如何實施空間向量共線定理。
題型3:空間向量的坐標
例5.(1)已知兩個非零向量=(a1,a2,a3),=(b1,b2,b3),它們平行的充要條件是( ?。?
A. :||=:|| B.a1·b1=a2·b2=a3·b3
C.a1b1+a2b2+a3b3=0 D.存在非零實數(shù)k,使=k
(2)已知向量=(2,4,x
13、),=(2,y,2),若||=6,⊥,則x+y的值是( )
A. -3或1 B.3或-1 C. -3 D.1
(3)下列各組向量共面的是( ?。?
A. =(1,2,3),=(3,0,2),=(4,2,5)
B. =(1,0,0),=(0,1,0),=(0,0,1)
C. =(1,1,0),=(1,0,1),=(0,1,1)
D. =(1,1,1),=(1,1,0),=(1,0,1)
解析:(1)D;點撥:由共線向量定線易知;
(2)A 點撥:由題知或;
(3)A 點撥:由共面向量基本定理可得。
點評:空間向量的坐標運算除了數(shù)量積外就是考察共線
14、、垂直時參數(shù)的取值情況。
例6.已知空間三點A(-2,0,2),B(-1,1,2),C(-3,0,4)。設=,=,(1)求和的夾角;(2)若向量k+與k-2互相垂直,求k的值.
思維入門指導:本題考查向量夾角公式以及垂直條件的應用,套用公式即可得到所要求的結果.
解:∵A(-2,0,2),B(-1,1,2),C(-3,0,4),=,=,
∴=(1,1,0),=(-1,0,2).
(1)cos==-,
∴和的夾角為-。
(2)∵k+=k(1,1,0)+(-1,0,2)=(k-1,k,2),
k-2=(k+2,k,-4),且(k+)⊥(k-2),
∴(k-1,k,2)·(k+2,
15、k,-4)=(k-1)(k+2)+k2-8=2k2+k-10=0。
則k=-或k=2。
點撥:第(2)問在解答時也可以按運算律做。(+)(k-2)=k22-k·-22=2k2+k-10=0,解得k=-,或k=2。
題型4:數(shù)量積
例7.(xx江西、山西、天津理,4)設、、c是任意的非零平面向量,且相互不共線,則
①(·)-(·)= ②||-||<|-| ③(·)-(·)不與垂直
④(3+2)(3-2)=9||2-4||2中,是真命題的有( )
A.①② B.②③ C.③④ D.②④
答案:D
解析:①平面向量的數(shù)量積不滿足結合律.故①假
16、;
②由向量的減法運算可知||、||、|-|恰為一個三角形的三條邊長,由“兩邊之差小于第三邊”,故②真;
③因為[(·)-(·)]·=(·)·-(·)·=0,所以垂直.故③假;
④(3+2)(3-2)=9··-4·=9||2-4||2成立.故④真.
點評:本題考查平面向量的數(shù)量積及運算律。
例8.(1)(xx上海文,理2)已知向量和的夾角為120°,且||=2,||=5,則(2-)·=_____.
(2)設空間兩個不同的單位向量=(x1,y1,0),=(x2,y2,0)與向量=(1,1,1)的夾角都等于。(1)求x1+y1和x1y1的值;(2)求<,>的大小(其中0<<,><π。
17、
解析:(1)答案:13;解析:∵(2-)·=22-·=2||2-||·||·cos120°=2·4-2·5(-)=13。
(2)解:(1)∵||=||=1,∴x+y=1,∴x=y=1.
又∵與的夾角為,∴·=||||cos==.
又∵·=x1+y1,∴x1+y1=。
另外x+y=(x1+y1)2-2x1y1=1,∴2x1y1=()2-1=.∴x1y1=。
(2)cos<,>==x1x2+y1y2,由(1)知,x1+y1=,x1y1=.∴x1,y1是方程x2-x+=0的解.
∴或同理可得或
∵≠,∴或
∴cos<,>=·+·=+=.
∵0≤<,>≤π,∴<,>=。
評述:本
18、題考查向量數(shù)量積的運算法則。
題型5:空間向量的應用
例9.(1)已知a、b、c為正數(shù),且a+b+c=1,求證:++≤4。
(2)已知F1=i+2j+3k,F(xiàn)2=-2i+3j-k,F(xiàn)3=3i-4j+5k,若F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3共同作用于同一物體上,使物體從點M1(1,-2,1)移到點M2(3,1,2),求物體合力做的功。
解析:(1)設=(,,),=(1,1,1),
則||=4,||=.
∵·≤||·||,
∴·=++≤||·||=4.
當==時,即a=b=c=時,取“=”號。
(2)解:W=F·s=(F1+F2+F3)·=14。
點評:若=(x,y,z),=(a,b,c),則
19、由·≤||·||,得(ax+by+cz)2≤(a2+b2+c2)(x2+y2+z2).此式又稱為柯西不等式(n=3)。本題考查||·||≥·的應用,解題時要先根據(jù)題設條件構造向量,,然后結合數(shù)量積性質進行運算??臻g向量的數(shù)量積對應做功問題。
例10.如圖,直三棱柱中,求證:
證明:
同理
又
設為中點,則
又
點評:從上述例子可以看出,利用空間向量來解決位置關系問題,要用到空間多邊形法則,向量的運算,數(shù)量積以及平行,相等和垂直的條件。
五.思維總結
本講內容主要有空間直角坐標系,空間向量的坐標表示,空間向量的坐標運算,平行向量,垂直向量坐標之間的關系以及中點公式.
20、空間直角坐標系是選取空間任意一點O和一個單位正交基底{i,j,k}建立坐標系,對于O點的選取要既有作圖的直觀性,而且使各點的坐標,直線的坐標表示簡化,要充分利用空間圖形中已有的直線的關系和性質;空間向量的坐標運算同平面向量類似,具有類似的運算法則.一個向量在不同空間的表達方式不一樣,實質沒有改變.因而運算的方法和運算規(guī)律結論沒變。如向量的數(shù)量積a·b=|a|·|b|cos在二維、三維都是這樣定義的,不同點僅是向量在不同空間具有不同表達形式.空間兩向量平行時同平面兩向量平行時表達式不一樣,但實質是一致的,即對應坐標成比例,且比值為,對于中點公式要熟記。
對本講內容的考查主要分以下三類:
1.以選擇、填空題型考查本章的基本概念和性質
此類題一般難度不大,用以解決有關長度、夾角、垂直、判斷多邊形形狀等問題。
2.向量在空間中的應用
在空間坐標系下,通過向量的坐標的表示,運用計算的方法研究三維空間幾何圖形的性質。
在復習過程中,抓住源于課本,高于課本的指導方針。本講考題大多數(shù)是課本的變式題,即源于課本。因此,掌握雙基、精通課本是本章關鍵。