解题技巧:立体几何中几类典型问题的向量解法-新人教(3)

2018-11-17 18:50

二、利用向量知识求线线角,线面角,二面角的大小。 例5:

解:(1)如图建立坐标系,则A(0,0,a),C(a,a,0),D(0,a,0),E(a,'a,0) 2a'?AC?(a,a,?a),DE?(a,?,0),

2?cos?AC,DE??''AC?DE'AC?DE?15 15故AC与DE所成的角为arccos'15 15'(2)?ADE??ADF,所以AD在平面BEDF内的射影在?EDF的平分线上,又

B'EDF为菱形,

?DB'为?EDF的平分线,故直线AD与平面B'EDF所成的角为?ADB',

建立如图所示坐标系,

则A(0,0,0),B'(a,0,a),D(0,a,0),?DA?(0,?a,0),DB'?(a,?a,a),

?cos?DA,DB??'DA?DB'DA?DB'?3 33 3a,0), 2故AD与平面BEDF所成角为arccos'''由A(0,0,0),A(0,0,a),B(a,0,a),D(0,a,0),E(a,所以平面ABCD的法向量为m?AA'?(0,0,a) 下面求平面BEDF的法向量, 设n?(1,y,z),由ED?(?a,'aa,0),EB'?(0,?,a), 22??n?ED?0?y?2,?n?(1,2,1) ????'z?1??n?EB?0??cos?n,m??m?nm?n?6, 6所以平面BEDF与平面ABCD所成的角arccos'6 6点评:(1)设l1,l2是两条异面直线,A,B是l1上的任意两点,C,D是直线l2上的任意两点,则l1,l2所成的角为arccosAB?CDAB?CD

(2)设AB是平面?的斜线,且B??,BC是斜线AB在平面?内的射影,则斜线AB与平面?所成的角为arccosAB?BCAB?BC。

(3)设n1,n2是二面角??l??的面?,?的法向量,则?n1,n2??arccos是二面角的平面角或补角的大小。 例6:

(1)证明:建立空间直角坐标系(如图), 设AD=PD=1,AB=2a(a?0),

则E(a,0,0), C(2a,0,0), A(0,1,0), B(2a,1,0), P(0,0,1), F(a,n1?n2n1?n2就

1111,).得EF?(0,,),2222PB?(2a,1,?1),AB?(2a,0,0).

由EF?AB?(0,,)?(2a,0,0)?0, 得EF?AB,即EF?AB,

1122BPBB? 同理EF?PB,又A(2)解:由AB?, 所以,EF?平面PAB.

z P x C F E A y 2BC,得2a?2,

2即a?.

2得E(D B 2112,,),C(2,0,0). ,0,0),F(2222112,?1,0),EF?(0,,).

222 有AC?(2,?1,0),AE?( 设平面AEF的法向量为n?(x,y,1),

111??1(x,y,1)?(0,,)?0y??0???n?EF?0222???2由?, ??????(x,y,1)?(2,?1,0)?0?2x?y?0?n?AE?0???2?2??y??1解得?. 于是n?(?2,?1,1).

x??2?? 设AC与面AEF所成的角为?,AC与n的夹角为?AC,n?.

则sin??cos?AC,n??AC?nAC?n?(2,?1,0)?(?2,?1,1)2?1?02?1?1?3. 6得??arcsin3. 63. 6所以,AC与平面AEF所成角的大小为arcsin点评:设n是平面?的法向量,AB是平面?的一条斜线,则AB与平面?所成的角为

?2?arccosAB?nAB?n,或者arcsinAB?nAB?n。

例7:

解:建立如图所示空间直角坐标系C?xyz,取PB的中点D, 连DC,可证DC?PB,

作AE?PB于E,则向量DC与EA的夹角的大小为二面角A?PB?C的大小。

x E D A C P z

A(1,0,0),B(0,2,0),C(0,0,0),P(1,0,1),D为PB的中点,

PEAP21121??, ?(,,),在RtPAB中,

EBAB232221323123?E分PB的比为,?E(,,)?EA?(,?,?)

3444444B y 12113,DC?(?,?,?),EA?DC?,EA?22222

133,?二面角A?PC?C的大小为arccos DC?1,cos?EA,DC??2?333?12例8:

解:如图建立直角坐标系,

z 1则B(0,1,0),D(,0,0),C(1,1,0),S(0,0,1)

211AD?(,0,0),SC?(1,1,?1),SD?(,0,?1)22,

S B y C SA?平面ABCD,?AD?平面SAB

所以AD是平面SAB的一个法向量。设平面SCD的一个法向量n?(x,y,z)

A D x ?x?y?z?0???x?2z?n?SC?n?SC?0???,??由?,??1

y??zx?z?0??n?SD?n?SD?0????2令z?1,n?(2,?1,1),?cos?AD,n??AD?nAD?n?62,?tan?AD,n?? 32平面SCD与平面SAB所成的二面角的正切值为2 2点评:用向量知识求二面角的大小时,是将二面角的问题转化为两平面的法向量的夹角问题,(1)当法向量n1与n2的方向分别指向二面角内侧与外侧时,二面角的大小等于法向量n1与n2的夹角的大小。

(2)当法向量n1与n2的方向同时指向二面角的内侧或外侧时,二面角的大小等于法向量n1与n2的夹角的补角???n1,n2?。

三、利用向量知识解决平行与垂直问题。 例9:

解:∵直三棱柱ABC-A1B1C1底面三边长AC=3,BC=4,AB=5, ∴AC、BC、C1C两两垂直,

如图,以C为坐标原点,直线CA、CB、C1C分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,

则C(0,0,0),A(3,0,0),C1(0,0,4),B(0,4,0),B1(0,4,4),D(

3,2,0) 2(1)∵AC=(-3,0,0),BC1=(0,-4,0),∴AC?BC1=0,∴AC⊥BC1.

(2)设CB1与C1B的交战为E,则E(0,2,2). ∵DE=(-∴DE?3,0,2),AC1=(-3,0,4), 21AC1,∴DE∥AC1. 2∵ DE?平面CDB1,AC1?平面CDB1, ∴ AC1//平面CDB1; 点评:平行问题的转化:

转化

面面平行线面平行

转化

线线平行;

例10.

解:以D为坐标原点,直线DA,DC,DD1

分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,

设AE=x,则A1(1,0,1),D1(0,0,1),E(1,x,0),

A(1,0,0)C(0,2,0) (1)

D1A1DAEBB1C1C因为DA1,D1E?(1,0,1),(1,x,?1)?0,所以DA1?D1E.

(2)因为E为AB的中点,则E(1,1,0),从而D1E?(1,1,?1),AC?(?1,2,0),

??n?AC?0, AD1?(?1,0,1),设平面ACD1的法向量为n?(a,b,c),则???n?AD1?0,


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