空间向量在立体几何中的应用和习题(含答案).docx

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1、空间向量在立体几何中的应用：(1)直线的方向向量及平面的法向量：如图，l为经过已知点A且平行于已知非零向量a的直线，对空间任意一点O，点P在直线l上的充要条件是存在实数t，使得，其中向量a叫做直线的方向向量由此可知，空间任意直线由空间一点及直线的方向向量惟一确定如果直线l平面a ，取直线l的方向向量a，则向量a叫做平面a 的法向量由此可知，给定一点A及一个向量a，那么经过点A以向量a为法向量的平面惟一确定(2)用空间向量刻画空间中平行及垂直的位置关系：设直线l，m的方向向量分别是a，b，平面a ，b 的法向量分别是u，v，则lmabakb，kR；lmabab0；la auau0；la auak

2、u，kR；a uvukv，kR；a b uvuv0(3)用空间向量解决线线、线面、面面的夹角问题：异面直线所成的角：设a，b是两条异面直线，过空间任意一点O作直线aa，bb，则a及b所夹的锐角或直角叫做异面直线a及b所成的角设异面直线a及b的方向向量分别是v1，v2，a及b的夹角为q ，显然则直线和平面所成的角：直线和平面所成的角是指直线及它在这个平面内的射影所成的角设直线a的方向向量是u，平面a 的法向量是v，直线a及平面a 的夹角为q ，显然，则二面角及其度量：从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角记作a lb 在二面角的棱上任取一点O，在两个半平面内分别作射线OAl，OBl，则

3、AOB叫做二面角a lb 的平面角利用向量求二面角的平面角有两种方法：方法一：如图，若AB，CD分别是二面角a lb 的两个面内及棱l垂直的异面直线，则二面角a lb 的大小就是向量的夹角的大小方法二：如图，m1，m2分别是二面角的两个半平面a ，b 的法向量，则m1，m2及该二面角的大小相等或互补(4)根据题目特点，同学们可以灵活选择运用向量方法及综合方法，从不同角度解决立体几何问题【例题分析】例1 如图，在长方体OAEBO1A1E1B1中，OA3，OB4，OO12，点P在棱AA1上，且AP2PA1，点S在棱BB1上，且B1S2SB，点Q，R分别是O1B1，AE的中点，求证：PQRS【分析】

4、建立空间直角坐标系，设法证明存在实数k，使得解：如图建立空间直角坐标系，则O(0，0，0)，A(3，0，0)，B(0，4，0)，O1(0，0，2)，A1(3，0，2)，B1(0，4，2)，E(3，4，0)AP2PA1， 同理可得：Q(0，2，2)，R(3，2，0)，又RPQ，PQRS【评述】1、证明线线平行的步骤：(1)证明两向量共线；(2)证明其中一个向量所在直线上一点不在另一个向量所在的直线上即可2、本体还可采用综合法证明，连接PR，QS，证明PQRS是平行四边形即可，请完成这个证明例2 已知正方体ABCDA1B1C1D1中，M，N，E，F分别是棱A1D1，A1B1，D1C1，B1C1的中

5、点，求证：平面AMN平面EFBD【分析】要证明面面平行，可以通过线线平行来证明，也可以证明这两个平面的法向量平行解法一：设正方体的棱长为4，如图建立空间直角坐标系，则D(0，0，0)，A(4，0，0)，M(2，0，4)，N(4，2，4)，B(4，4，0)，E(0，2，4)，F(2，4，4)取MN的中点K，EF的中点G，BD的中点O，则O(2，2，0)，K(3，1，4)，G(1，3，4)(2，2，0)，(2，2，0)，(1，1，4)，(1，1，4)，MN/EF，AK/OG，MN平面EFBD，AK平面EFBD，平面AMN平面EFBD解法二：设平面AMN的法向量是a(a1，a2，a3)，平面EFBD

6、的法向量是b(b1，b2，b3)由得取a31，得a(2，2，1)由得取b31，得b(2，2，1)ab，平面AMN平面EFBD注：本题还可以不建立空间直角坐标系，通过综合法加以证明，请试一试例3 在正方体ABCDA1B1C1D1中，M，N是棱A1B1，B1B的中点，求异面直线AM和CN所成角的余弦值解法一：设正方体的棱长为2，如图建立空间直角坐标系，则D(0，0，0)，A(2，0，0)，M(2，1，2)，C(0，2，0)，N(2，2，1)设和所成的角为q ，则异面直线AM和CN所成角的余弦值是解法二：取AB的中点P，CC1的中点Q，连接B1P，B1Q，PQ，PC易证明：B1PMA，B1QNC，P

7、B1Q是异面直线AM和CN所成的角设正方体的棱长为2，易知异面直线AM和CN所成角的余弦值是【评述】空间两条直线所成的角是不超过90的角，因此按向量的夹角公式计算时，分子的数量积如果是负数，则应取其绝对值，使之成为正数，这样才能得到异面直线所成的角(锐角)例4 如图，正三棱柱ABCA1B1C1的底面边长为a，侧棱长为，求直线AC1及平面ABB1A1所成角的大小【分析】利用正三棱柱的性质，适当建立空间直角坐标系，写出有关点的坐标求角时有两种思路：一是由定义找出线面角，再用向量方法计算；二是利用平面ABB1A1的法向量求解解法一：如图建立空间直角坐标系，则A(0，0，0)，B(0，a，0)，取A1

8、B1的中点D，则，连接AD，C1D则DC1平面ABB1A1，C1AD是直线AC1及平面ABB1A1所或的角直线AC1及平面ABB1A1所成角的大小是30解法二：如图建立空间直角坐标系，则A(0，0，0)，B(0，a，0)，A1(0，0，)，从而设平面ABB1A1的法向量是a(p，q，r)，由得取p1，得a(1，0，0)设直线AC1及平面ABB1A1所成的角为【评述】充分利用几何体的特征建立适当的坐标系，再利用向量的知识求解线面角；解法二给出了一般的方法，即先求平面的法向量及斜线的夹角，再利用两角互余转换例5 如图，三棱锥PABC中，PA底面ABC，ACBC，PAAC1，求二面角APBC的平面角

9、的余弦值 解法二图解法一：取PB的中点D，连接CD，作AEPB于EPAAC1，PAAC，PCBC，CDPBEAPB， 向量和夹角的大小就是二面角APBC的大小如图建立空间直角坐标系，则C(0，0，0)，A(1，0，0)，B(0，0)，P(1，0，1)，由D是PB的中点，得D由得E是PD的中点，从而即二面角APBC的平面角的余弦值是解法二：如图建立空间直角坐标系，则A(0，0，0)，C(0，1，0)，P(0，0，1)，设平面PAB的法向量是a(a1，a2，a3)，平面PBC的法向量是b(b1，b2，b3)由得取a11，得由得取b31，得b(0，1，1)二面角APBC为锐二面角，二面角APBC的平

10、面角的余弦值是【评述】1、求二面角的大小，可以在两个半平面内作出垂直于棱的两个向量，转化为这两个向量的夹角；应注意两个向量的始点应在二面角的棱上2、当用法向量的方法求二面角时，有时不易判断两个平面法向量的夹角是二面角的平面角还是其补角，但我们可以借助观察图形而得到结论，这是因为二面角是锐二面角还是钝二面角一般是明显的练习一、选择题：1在正方体ABCDA1B1C1D1中，E是BB1的中点，则二面角EA1D1D的平面角的正切值是( )(A)(B)2(C)(D)2正方体ABCDA1B1C1D1中，直线AD1及平面A1ACC1所成角的大小是( )(A)30(B)45(C)60(D)903已知三棱柱AB

11、CA1B1C1的侧棱及底面边长都相等，A1在底面ABC内的射影为ABC的中心，则AB1及底面ABC所成角的正弦值等于( )(A)(B)(C)(D)4如图，a b ，a b l，Aa ，Bb ，A，B到l的距离分别是a和b，AB及a ，b 所成的角分别是q 和，AB在a ，b 内的射影分别是m和n，若ab，则下列结论正确的是( )(A)q ，mn(B)q ，mn(C)q ，mn(D)q ，mn 二、填空题：5在正方体ABCDA1B1C1D1中，E，F，G，H分别为AA1，AB，BB1，B1C1的中点，则异面直线EF及GH所成角的大小是_6已知正四棱柱的对角线的长为，且对角线及底面所成角的余弦值为

12、，则该正四棱柱的体积等于_7如图，正四棱柱ABCDA1B1C1D1中，AA12AB，则异面直线A1B及AD1所成角的余弦值为_ 4题图 7题图 9题图8四棱锥PABCD的底面是直角梯形，BAD90，ADBC，PA底面ABCD，PD及底面ABCD所成的角是30设AE及CD所成的角为q ，则cosq _三、解答题：9如图，正四棱柱ABCDA1B1C1D1中，AA12AB4，点E在CC1上，且C1E3EC()证明：A1C平面BED；()求二面角A1DEB平面角的余弦值10如图，在四棱锥OABCD中，底面ABCD是边长为1的菱形，OA底面ABCD，OA2，M为OA的中点，N为BC的中点()证明：直线M

13、N平面OCD；()求异面直线AB及MD所成角的大小11如图，已知直二面角a PQb ，APQ，Ba ，Cb ，CACB，BAP45，直线CA和平面a 所成的角为30()证明：BCPQ；()求二面角BACP平面角的余弦值练习答案一、选择题：1B 2A 3B 4D二、填空题：560 62 7 8三、解答题： 9题图 10题图 11题图9以D为坐标原点，射线DA为x轴的正半轴，建立如图所示直角坐标系Dxyz依题设，B(2，2，0)，C(0，2，0)，E(0，2，1)，A1(2，0，4)()A1CBD，A1CDE又DBDED，A1C平面DBE()设向量n(x，y，z)是平面DA1E的法向量，则令y1，

14、得n(4，1，2)二面角A1DEB平面角的余弦值为10作APCD于点P如图，分别以AB，AP，AO所在直线为x，y，z轴建立坐标系则A(0，0，0)，B(1，0，0)，O(0，0，2)，M(0，0，1)，设平面OCD的法向量为n(x，y，z)，则即取，得MN平面OCD()设AB及MD所成的角为q ，即直线AB及MD所成角的大小为11()证明：在平面b 内过点C作COPQ于点O，连结OBa b ，a b PQ，COa 又CACB，OAOBBAO45，ABO45，AOB90，BOPQ，又COPQ，PQ平面OBC，PQBC()由()知，OCOA，OCOB，OAOB，故以O为原点，分别以直线OB，OA，OC为x轴，y轴，z轴建立空间直角坐标系(如图)COa ，CAO是CA和平面a 所成的角，则CAO30不妨设AC2，则，CO1在RtOAB中，ABOBAO45，设n1(x，y，z)是平面ABC的一个法向量，由得取x1，得易知n2(1，0，0)是平面b 的一个法向量设二面角BACP的平面角为q ，即二面角BACP平面角的余弦值是第 6 页