1.3 建立空间直角坐标系和确定点坐标的方法-(选择性必修第一册) (教师版).docx
建立空间直角坐标系和确定点坐标的方法1空间向量的直角坐标系 (1) 空间直角坐标系中的坐标在空间直角坐标系Oxyz中，对空间任一点A，存在唯一的有序实数组(x, y, z)，使 OA=xi+y j+z k，有序实数组(x, y, z)叫作向量A在空间直角坐标系中的坐标，记作 A(x, y, z)，x叫横坐标，y叫纵坐标，z叫竖坐标.(2) 空间向量的直角坐标运算律 若a=(a1, a2, a3)，b=(b1, b2, b3)，则a+b=a1+b1, a2+b2, a3+b3，ab=a1b1, a2b2, a3b3，a=(a1, a2, a3) (R)，a b=a1 b1+a2 b2+a3 b3， a |b a1=b1, a2=b2, a3=b3( R)，ab=a1 b1+a2 b2+a3 b3=0， 若Ax1, y1, z1, Bx2, y2, z2 ，则 AB=(x2x1, y2y1, z2z1). 模长公式若a=(a1, a2, a3)，则|a|=a a=a12+a22+a32. 夹角公式cos<a, b>=a bab=a1 b1+a2 b2+a3 b3a12+a22+a32 b12+b22+b32ABC中,AB AC>0 A为锐角,AB AC<0 A为钝角. 两点间的距离公式若A(x1, y1, z1), B(x2, y2, z2)则|AB|=AB2=x2x12+y2y12+z2z12或dAB=x2x12+y2y12+z2z12.2 建立直角坐标系的方法(1) 利用共顶点的互相垂直的三条棱构建直角坐标系(2) 利用线面垂直关系构建直角坐标系(3) 利用面面垂直关系构建直角坐标系3 确定空间直角坐标系中点坐标的方法求点的坐标和设点坐标的方法是一致的，常见方法具体如下(1) 射影法看所求点分别在x,y,z轴的投影对应的数值.如求点P横坐标x，过点P作PP1平面xoy，再过点P1作P1P2x轴，看点P2对应数值即是x；或直接构造长方体OP，即求出线段P1P3、P1P2、PP1长度，再注意下正负号可得点B坐标.一般地，点在平面xOy、xOz、yOz或易得点在x、y、z轴的投影均适合射影法； (2) 公式法对中点、n等分点、重心等点可用公式求解；若点Ax1,y1,z1,Bx2,y2,z2,Cx3,y3,z3，则线段AB的中点坐标(x1+x22,y1+y22,z1+z22)；三角形ABC的重心(x1+x2+x33,y1+y2+y33,z1+z2+z33)；点P在线段AB上且AP=PB，则P(x1+x21+,y1+y21+,z1+z21+).(3) 向量法(i) 利用平行、垂直关系求某向量的坐标，再求点坐标；(ii) 利用三角形法则或平行四边形法则，求出某向量的坐标，再求点坐标；(iii) 三点共线问题：如若点Ax1,y1,z1,Bx2,y2,z2，若点C在线段AB上，则可设AC=AB，利用待定系数法Cx,y,z求出x,y,z！(4) 几何法：把空间问题转化为平面问题，常见于利用相似三角形的性质.(5) 待定系数法：设点P(x,y,z)，利用已知条件求出x,y,z.(6) 函数法：常用于设动点坐标；动点P(a,b,c)在定直线AB上，把AB投影到空间坐标系中某个平面，如投影平面xoy，得到投影直线A'B'方程，从而达到动点P投影P'(a,b)中a,b的关系.以上的方法其实也是相通的，也还存在其他一些灵活的处理方法(比如平移法等)，都需要理解再灵活运用. 【题型一】建立直角坐标系的方法利用共顶点的互相垂直的三条棱构建直角坐标系【典题1】 如图，已知直四棱柱ABCDA1B1C1D1中，AA1=2，底面ABCD是直角梯形，A为直角，ABCD，AB=4，AD=2，DC=1，求异面直线BC1与DC所成角的余弦值【解析】 易得DA、DC、DD1三线两两垂直，如图，以D为坐标原点，分别以DA、DC、DD1所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系.(后面解析省略)利用线面垂直关系构建直角坐标系【典题2】 如图，在三棱柱ABCA1B1C1中，AB侧面BB1C1C，E为棱CC1上异于C、C1的一点，EAEB1已知AB=2，BB1=2,BC=1，BCC1=3求二面角AEB1A1的平面角的正切值【解析】 AB侧面BB1C1C 而BC与BB1不垂直，原图没三条两两垂直直线，此时在平面BB1C1C上过B点作垂直BB1的直线，便得BD、BB1、BA三线两两垂直，如图，以B为原点，分别以BD、BB1、BA所所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系(后面解析省略) 利用面面垂直关系构建直角坐标系【典题3】 如图，在四棱锥VABCD中，底面ABCD是正方形，侧面VAD是正三角形，平面VAD底面ABCD求面VAD与面VDB所成的二面角的余弦值【解析】取AD的中点O，连接VO，VAD是正三角形，VOAD又平面VAD底面ABCD VO平面ABCD则以点O为原点，分别以OA、OV所在直线为x、z轴，以过点O作AD的垂线所在直线为y轴，建立如图所示的空间直角坐标系【点拨】 同一道题目中建系的方法不是唯一，是优是劣取决于关键点的坐标是否好求； 建系最根本的想法是找到两两垂直的三线，多关注题中有垂直关系的量，(1) 垂直关系：长方体模型、等腰三角形的三线合一、菱形对角线相互垂直等；(2) 若有线面垂直，则可考虑该面为平面xOy、xOz、yOz之一；(3) 若有面面垂直，则可考虑两面为平面xOy、xOz、yOz其中两个. 若是分别以OA、OB、OC所所在直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系，则要先证明OA、OB、OC三线两两垂直，需要严谨些，不能想当然.巩固练习1() 如图，在直三棱柱ABCA1B1C1中，A1B1=A1C1，F为B1C1的中点，D，E分别是棱BC，CC1上的点，且ADBC，如何建立空间直角坐标系呢？【答案】以D为原点，分别以BD、DA、DF所在的直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系.2 ()如图，已知四棱锥PABCD的底面ABCD为等腰梯形，ABDC，ACBD，AC与BD相交于点O，且顶点P在底面上的射影恰为O点，如何建立空间直角坐标系呢？【答案】 以O为原点，分别以OB、OA、OP所在的直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系.3 () 如图，三棱锥VABC的侧棱长都相等，底面ABC与侧面VAC都是以AC为斜边的等腰直角三角形，如何建立空间直角坐标系呢？【答案】取AC中点E，以E为原点，分别以EB、EC、EV所在的直线为x、y、z轴建立空间直角坐标系.【题型二】确定空间直角坐标系中点坐标的方法情况1 求点的坐标【典题1】 在平行六面体ABCDA1B1C1D1中，底面ABCD是矩形，AB=4， AD=2， 平行六面体高为23，顶点D在底面A1B1C1D1的射影O是C1D1中点，设AB1D1的重心G，建立适当空间直角坐标系并写出下列点的坐标. (1) A1 、 B1 、A、 D1； (2) G； (3) B； (4)若N为DD1上点，且ON DD1写出N坐标；【解析】 如图，以O为坐标原点，分别以OC1、OD所在直线为y,z轴，以过点O作B1C1的平行线为x轴建立空间直角坐标系 (1)射影法求点A1(x,y,z)，在平面xoy上则z=0，由图可知它到y轴投影D1对应数值2，则y=2，到x轴投影对应数值为2，则x=2，即A12,2,0；同理得B12,2,0、A2,0,23、D1(0,2,0)；(2)公式法G是AB1D1的重心，G=2+2+03,2+023,0+23+03=(43,0,233)(由三角形重心公式(x1+x2+x33,y1+y2+y33,z1+z2+z33)可得)(3)向量法设B ( x, y, z )，则B1B=x2,y2,z，D1D=0,2,23，又 B1B=D1D， (利用向量平行关系)比较得x=2,y=4,z=23，点B坐标为2,4,23 (投影法也可以)(4)D1、N、D三点共线，可设D1N=DD1，(某点在一直线上常用向量法)即D1N=0,2,23=0,2,23，ON=OD1+D1N=0,22,23，N0,22,23，OND1D=0，0+41+12=0 解得=14，故N0,32,32.【点拨】(1)射影法：看所求点分别在x,y,z轴的投影对应的数值；一般地，点在平面xOy、xOz、yOz或易得点在x、y、z轴的投影均适合射影法； 公式法：对中点、n等分点、重心等点可用公式求解； 向量法：常用于涉及到平行、垂直、共线等向量关系中的点.各方法之间也是相通的，需要理解再灵活运用.【典题2】 如图，矩形ABCD中，2BC=CD，E为CD的中点，以BE为折痕把四边形ABED折起，使A达到P的位置，且PCBC, M，N，F分别为PB，BC，EC的中点建系求点P的坐标.【解析】 设BC=2，则BN=CN=1，CF=EF=1，以C为原点，CB为x轴，CE为y轴，过C作平面BCE的垂直CQ为z轴，建立空间直角坐标系，则B(2,0,0)，E(0,2,0)，F(0,1,0)，设P(x,y,z)，PB=CD=2BC=4，则PE=PD2+DE2=22+22=22，PC=PB2BC2=4222=23，(x2)2+y2+z2=16x2+(y2)2+z2=8x2+y2+z2=12，解得x=0，y=2，z=22，P(0,2,22). (不同的建系，坐标当然不同，这里主要介绍待定系数法求点坐标)【点拨】利用待定系数法，设P(x,y,z)，再利用两点距离公式求得点的坐标. 情况2 设点坐标【典题3】 长方形ABCD中，AB=2AD，M是CD中点(图1)，将ADM沿AM折起，使得ADBM(图2)在图2中(1)求证：平面ADM平面ABCM；(2)在线段BD上是否存点E，使得二面角EAMD的余弦值为55，说明理由【解析】(1)证明：在长方形ABCD中，由AB=2AD=22，M是DC中点，得AM=BM=2，而AB=22，AM2+BM2=AB2，得BMAM，又ADBM，且ADAM=A，BM平面ADM，而BM平面ABCD，平面ADM平面ABCM；(2) 思路：先根据“点E(a,b,c)在线段BD上”，得到其坐标形式(即找到a,b,c的关系)，再利用二面角余弦值求出点E的坐标；那怎么引入参数设出点E坐标呢？解：取AB中点N，以M为坐标原点，分别以MN，MC所在直线为x，y轴，在平面ADM内，过M作底面垂线为z轴，建立空间直角坐标系，则M(0,0,0)，A(2,1,0)，D(22,12,1)，B(2,1,0)，MA=(2,1,0)，MD=(22,12,1)，方法1 向量法设E为线段BD上的点，则DE=DB=(22,32,)(01)，ME=DEDM=(22 +22,32 12,1)，(即得到点E坐标)(以上是由共线关系利用向量法引入参数设点E坐标)(PS 以下求的过程学完求二面角的向量法方能理解)设平面AMD的一个法向量为m=(x1,y1,z1)，平面EAM的一个法向量为n=(x2,y2,z2)，由mMA=2x1y1=0mMD=22x112y1+z1=0，取y1=2，得m=(1,2,0)；由nMA=2x2y2=0nME=(22+22)x2+(3212)y2+(1)z2=0，取y2=2，得n=(1,2,221)由cos<m,n>=mn|m|n|=33×3+82(1)2=55，解得=3+6(舍)或=360,1在线段BD上存点E，使得二面角EAMD的余弦值为55方法2 函数法设E(a,b,c)，D(22,12,1)，B(2,1,0)，点B、D、E在平面xoy上投影为B'2,1、D'(22,12)，E'a,b，(相当于把直线BD投影到平面xoy上，空间问题化为平面问题，降维处理)求得直线B'D'的方程为y=322x2，则b=322a2；点B、D、E在平面yoz上投影为B''1,0、D''(12,1)，E''b,c，求得直线B''D''的方程为z=23y+23，则c=23b+23，即c=2a+2；所以E的坐标可设为(a,322a2,2a+2)，以下求解类似方法1！【点拨】 本题在处理“点E在线段BD上”这一条件时，想设点Ea,b,c找到a,b,c的关系，介绍了向量法和函数法，而向量法引入变量表示a,b,c，而函数法变量是a，用其表示b,c便可； 有时也可用几何法相似求解，比如在方法2中求E(a,b,c)中b、c的关系，如下图，过点D''、E分别作D''Hx轴，EGx轴，由D''HB''EGB''得D''HEG=B''HB''G1c=32(1b)c=23b+23.巩固练习1 () 一张平行四边形的硬纸ABC0D中，AD=BD=1，AB=2.沿它的对角线BD折起，使点C0到达平面外C点的位置.若cosCAB=34，建系求点C的坐标.【答案】 ，如图建系，则C12, 1, 32 .2() 四棱锥SABCD中，ABCD，BCCD，侧面SAB为等边三角形，AB=BC=2，CD=SD=1.建系求点S的坐标.【答案】 ，如图建系，则S(1,12,32).3() 在四棱锥PABCD中，底面ABCD是正方形，侧棱PD垂直于底面ABCD，PD=DC,E是PC的中点，F在PB上，若EFPB于点F，试求点F的坐标.【答案】 ，如图建系，则F(23,23,43). (点的坐标与建系的方法有关)
