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第七节立体几何中的向量方法
——求空间角与距离
一、教材概念·结论·性质重现
1.利用空间向量求距离
(1)点到直线的距离
如图所示,
已知直线l的单位方向向量为u,A是直线l上的定点,P是直线l外一点,则点P到直线l的距离PQ=eq\r(|\o(AP,\s\up6(→))|2-?\o(AP,\s\up6(→))·u?2).
(2)点到平面的距离
如图所示,
已知AB为平面α的一条斜线段,n为平面α的法向量,则B到平面α的距离为|eq\o(BO,\s\up6(→))|=eq\f(|\o(AB,\s\up6(→))·n|,|n|).
求点到平面的距离,若用向量知识,则离不开以该点为端点的平面的斜线段.有时利用等积法求解可能更方便.
2.两条异面直线所成角的求法
设a,b分别是两异面直线l1,l2的方向向量,则
l1与l2所成的角θ
a与b的夹角β
范围
eq\b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))
[0,π]
求法
cosθ=eq\f(|a·b|,|a||b|)
cosβ=eq\f(a·b,|a||b|)
求两异面直线l1,l2的夹角θ,须求出它们的方向向量a,b的夹角〈a,b〉,由于夹角范围不同,有cosθ=|cos〈a,b〉|.
3.直线与平面所成角的求法
设直线l的方向向量为a,平面α的法向量为n,直线l与平面α所成的角为θ,a与n的夹角为β,则sinθ=|cosβ|=eq\f(|a·n|,|a||n|).
求直线l与平面α所成的角θ,可先求出平面α的法向量n与直线l的方向向量a的夹角,则sinθ=|cos〈n,a〉|.
4.求二面角的大小
(1)如图①,AB,CD分别是二面角α-l-β的两个半平面内与棱l垂直的直线,则二面角的大小θ=〈eq\o(AB,\s\up6(→)),eq\o(CD,\s\up6(→))〉.
(2)如图②③,n1,n2分别是二面角α-l-β的两个半平面α,β的法向量,则二面角θ的大小满足|cosθ|=|cos〈n1,n2〉|,二面角的平面角的大小是向量n1与n2的夹角(或其补角).
利用平面的法向量求二面角的大小时,求出两半平面α,β的法向量n1,n2后,要根据向量坐标在图形中观察法向量的方向,从而确定二面角与向量n1,n2的夹角是相等,还是互补.
二、基本技能·思想·活动体验
1.判断下列说法的正误,对的打“√”,错的打“×”.
(1)两直线的方向向量所成的角就是两条直线所成的角. (×)
(2)直线的方向向量和平面的法向量所成的角就是直线与平面所成的角. (×)
(3)两个平面的法向量所成的角是这两个平面所成的角. (×)
(4)两异面直线夹角的范围是eq\b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2))),直线与平面所成角的范围是eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2))),二面角的范围是[0,π]. (√)
(5)若直线l的方向向量与平面α的法向量夹角为120°,则l和α所成角为30°. (√)
(6)若二面角α-a-β的两个半平面α,β的法向量n1,n2所成角为θ,则二面角α-a-β的大小是π-θ. (×)
2.已知两平面的法向量分别为m=(0,1,0),n=(0,1,1),则两平面所成的二面角为()
A.45° B.135°
C.45°或135° D.90°
C解析:cos〈m,n〉=eq\f(m·n,|m||n|)=eq\f(1,1×\r(2))=eq\f(\r(2),2),即〈m,n〉=45°.
所以两平面所成二面角为45°或180°-45°=135°.
3.如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,已知M,N分别是BD和AD的中点,则B1M与D1N所成角的余弦值为()
A.eq\f(\r(30),10)B.eq\f(\r(30),15)C.eq\f(\r(30),30)D.eq\f(\r(15),15)
A解析:以D为原点,DA,DC,DD1所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立如图所示空间直角坐标系.
设AB=2,则N(1,0,0),D1(0,0,2),M(1,1,0),B1(2,2,2),
所以eq\o(B1M,\s\up6(→))=(-1,-1,-2),
eq\o(D1N,\s\up6(→))=(1,0,-2),
所以eq\o(B1M,\s\up6(→))·eq\o(D1N,\s\up6(→))=-1+4=3,
|B1M|=eq\r(6),|D1N|=eq\r(5),
所以cos〈eq\o(B1M,\s\up6(→)),eq\o(D1N,\s\up6(→))〉=eq\b\lc\|\
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