2022年立体几何中的向量方法教案 .pdf

学习必备欢迎下载立体几何中的向量方法【教学目标】1在学习了方向向量的基础上理解平面的法向量的概念，为进一步运用打好基础；2学会由直线的方向向量和平面的法向量的关系及向量的运算来判断或证明直线、平面的位置关系；3学会运用直线的方向向量、平面的法向量及向量的运算来解决关于直线、平面的夹角及距离的问题（主要是关于角的问题）；4能初步利用向量知识解决相关的实际问题及综合问题。【教学重点】向量运算在立体几何证明与计算中的应用【教学难点】在运用向量知识解决立体几何问题时的向量问题的转化与恰当的运算方式【教学过程】一、双基回眸前面我们已经学习了空间向量的基本知识，并利用空间向量初步解决了一些立体几何问题，已初步感受到空间向量在解决立体几何问题中的重要作用，并从中体会到了向量运算的强大作用。这一节，我们将全面地探究向量在立体几何中的运用，较系统地总结出立体几何的向量方法。为此，首先简单回顾一下相关的基本知识和方法：1直线 l 的方向向量的含义：.2向量的特殊关系及夹角（最后的填空是用坐标表示）（ 1）a/b；（ 2）ab；（ 3）a a= ；（ 4）cosa,b= 。二、创设情景前面，我们主要是利用向量的运算解决了立体几何中关于直线的问题，如：两直线垂直问题；两直线的夹角问题；特殊线段的长的问题等等若再加入平面，会出现更多的的问题，如：线面、面面的位置关系问题；线面的夹角问题；二面角的问题等等而且都是立体几何中的重要问题，这些问题用向量的知识怎样来解决呢？直线可由其方向向量确定并由其来解决相关的问题，平面又由怎样的向量来确定呢？这些问题就是我们将要探究或解决的主要问题三、合作探究同学们都知道：垂直于同一条直线的两个平面。由此我们应该会想象出怎样的向量可确定平面的方向了下面请同学们合作探究一下这方面的知识和方法：（一）平面的法向量：。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 8 页学习必备欢迎下载（二）直线、平面的几种重要的位置关系的充要条件：请同学们根据直线的方向向量和平面的法向量的几何意义直观地得出直线、平面的几种特殊的位置关系的充要条件（用直线的方向向量或平面的法向量来表达）设直线l , m的方向向量分别为a，b，平面，的法向量分别为u，v，则：lm；lm；l；l；。【小试牛刀】1设直线l , m的方向向量分别为a，b，根据下列条件判断直线l, m的位置关系：（1）a= （2 ，-1 ，-2 ），b=（6 ，-3，-6 ）；（2）a= （1 ， 2 ，-2 ），b=（-2 ， 3， 2）；（3）a= （0 ， 0，1），b= （0 ， 0，-3）。2平面，的法向量分别为u，v，根据下列条件判断平面，的位置关系：（1）u= （-2 ，2 ， 5），v= （6 ，-4 ， 4）；（2）u= （ 1 ，2 ，-2 ），v= （-2 ，-4， 4）；（3）u= （ 2 ，-3 ，5），v=（-3 ，1，-4）。3如图，在正方体1111ABCDA B C D中， E、F 分别是1BB、CD的中点，求证：1D F平面 ADE（你能用几种方法呢？）（三）利用向量方法证明平面与平面平行的判定定理【定理】一个平面内的两条相交直线与另一个平面平行，则这两个平面平行已知： 直线l, m和平面，其中 l , m，l与m相交，l，m，求证：【分析】根据uv，所以只要证明uv即可，那需要证明u，v都是平面的法向量【证明】设直线l , m的方向向量分别为a，b，平面，的法向量分别为u，v，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页学习必备欢迎下载【点评】 向量法解题“三步曲”： （1）化为向量问题（2）进行向量运算（3）翻译向量运算结果，回到图形问题. 四、互动达标此类问题前面已经接触过，下面再来总结及拓展一下：问题.1如图 , 一个结晶体的形状为平行六面体, 其中顶点 A为端点的三条棱长都相等, 且它们彼此的夹角都是 60, 那么以这个顶点为端点的晶体的对角线的长与棱长有什么关系。【分析】根据前面所学的方法，可将1AC用与棱相关的向量表示出来，通过运算求解【解析】【点评】 遇到空间两点间的距离问题，往往把两点间的距离表示为以这两点为起点和终点的 向量 的 模 。 然 后 把 向量 进行 恰 当 的 分 解 ， 运 用 向量u的 模 满 足的 关 系 式 ：22|uuuu来进行针对性地运算和求解【探究】1.本题中平行六面体的另一条对角线的长与棱长有什么关系? 2.如果一个平行六面体的各棱长都相等,并且以某一顶点为端点的各棱间的夹角都是等于,那么由这个平行六面体的对角线长可以确定棱长吗? 3.本题的晶体中相对的两个面之间的距离是多少? 【分析】 显然，第 1 个问题与 问题.1 类似；第个问题是 问题 .1 的逆向问题 ，所列的式子应该是一样的，只不过未知数的位置不同；第个问题略有挑战性，可把两个面之间的距离转化为两点的距离或点到面的距离对于这个问题，同学们可在课后先探究一下，以后在进行总结下面我们再来看一个问题 .1 的逆向问题 ：问题.如图，甲站在水库底面上的点A处，乙站在水坝斜面上的点B处。从 A，B到直线l（库底与水坝的交线）的距离AC和 BD分别为 a 和 b ,CD 的长为 c, AB的长为 d 。求库底与水坝所成二面角的余弦值。【分析】 正如上面的分析，此题是 问题.1 的逆向问题，解决方法与 问题.1 一致关于两特殊点间距离的问题A1 B1C1D1ABC D 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 8 页学习必备欢迎下载【解析】【点评】 由此可体会解决一类数学问题的方法，从而以静制动，体现数学知识、方法应用的本质。【探究】1本题中如果AC和 BD夹角可以测出，而AB 未知，其他条件不变，可以计算出AB 的长吗？ （通过课本第页的第题体会一下即可）2如果已知一个四棱柱的各棱长和一条对角线的长，并且以同一顶点为端点的各棱间的夹角都相等，那么可以确定各棱之间夹角的余弦值吗？3如果已知一个四棱柱的各棱长都等于a ，并且以某一顶点为端点的各棱间的夹角都等于，那么可以确定这个四棱柱相邻两个夹角的余弦值吗？【分析】显然，第 1 个问题又回到了 问题 .1 的形式；第、个问题是 问题.1 的逆向问题 ，但第个问题又是略有挑战性，需要通过做辅助线构出问题.的图形模式对于这个问题，同样是同学们先课后探究一下，以后在进行总结问题.3 如图，在四棱锥PABCD 中，底面ABCD 是正方形，侧棱PD底面 ABCD ，PD=DC ，E 是PC 的中点，作EF PB 交 PB 于点 F。（1）求证： PA平面 EDB；（2）求证： PB 平面 EFD；（3）求二面角CPBD 的大小。【分析】 此题包括：判定直线与平面平行和垂直及计算二面角的大小均可用向量方法来解决。题目中的垂直条件非常适合建立空间直角坐标系来表示向量。【解析】关于直线、平面的位置关系的论证及夹角问题A B C D 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页学习必备欢迎下载【点评】 (1)此题涉及到的问题都是立体几何中的重点问题。通过解决过程来看，若条件适合建立空间坐标系， 建系表示向量来解决问题还是较简洁的转化为目标明确的坐标运算(2) 同学们可用传统法（不用向量）解决一下，比较各自的特点，便于解决问题时能恰当选择方法可大体上分为三种方法：传统法；向量法；坐标向量法。当然也可把这三种方法结合起来使用直线与平面所成的角怎样用向量来解决呢？同学们可借助此题的背景来求直线PA 与平面 PBC 所成角：利用问题.3 的条件 （PD=DC 改为 PD=DC= a ）求出点 A 到平面 PBC 的距离总结出点到平面的距离的求法：关于点到平面的距离问题精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 8 页学习必备欢迎下载问题 4.一块均匀的正三角形面的钢板的质量为500kg，在它的顶点处分别受力1F，2F，3F，每个力与同它相邻的三角形的两边之间的角都是60，且1F23200kgFF，这块钢板在这些力的作用下将怎样运动？这三个力是多少时，才能提起这块钢板？【分析】 钢板所受重力为500kg，垂直向下作用在三角形的中心O.若能将各顶点处所受的力1F，2F，3F用向量形式表示，求出合力，就能判断钢板的运动状态。【解析】【点评】 此题是力的合成问题，用向量将其表示，转化为数学问题，求出和向量即可，物理中的力、速度等量均可用向量来表示五、思悟小结知识线：思想方法线：题目线：六、巩固提高1（1）设平面的法向量为 (1,2,-2),平面的法向量为 (-2,-4,k),若，则 k= ；若，则 k= 。（2）若l 的方向向量为 (2,1,m),平面的法向量为 (1, 21,2), 若 l，则 m= ；若l，则 m = . 2如图，已知线段AB 在平面 内，线段AC，线段 BDAB，线段DD，30DBD，如果ABa，ACBDb，求C、D间的距离或：一个矩形 ABCD ，AB=3,CD=4, 以 BD 为棱折成直二面角，求 A、C 之间的距离关于实际问题精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 8 页学习必备欢迎下载3（1）如图，空间四边形ABCD 的每条边和AC,BD 的长都等于a，点 M , N 分别是 AB, CD 的中点，求证： MN AB , MN CD . BDAMNC（ 2）如图，已知正方体ABCD A B C D , B C和 C B相交于点O,连结 DO，求证： DOB CDODCBABCA4. 如图， M、N 分别是棱长为1 的正方体ABCDA B C D的棱BB、B C的中点求异面直线MN 与CD所成的角5如图，正方体ABCD A B C D 中， 点 E , F 分别是 B B ， CD 的中点。求证：面AED 面 A F DDEFDCBABCA6如图，正方体ABCD A B C D 中， 点 E , F , G , H , K , L 分别是 AB ，B B ，B C ， C D，D D，DA 各棱的中点。（1）求证： A C平面 E F G H K L ；（2）求 DB 与平面 E F G H K L所成角的余弦值；（3）若 AB=1 ，求点 B 到平面 E F G H K L 的距离。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 8 页学习必备欢迎下载DLGHKEFDCBABCA7已知ABC和DBC所在的平面互相垂直，且120,DBCCBABDBCAB,求 （1）直线 AD 与平面 BCD 所成角的大小；（2）直线 AD 与直线 BC 所成角的大小；A（3）二面角A-BD-C 的余弦值。B C D精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 8 页