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空间直角坐标系和空间向量典型例题
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空间直角坐标系与空间向量
一、建立空间直角坐标系的几种方法
构建原则:
遵循对称性,尽可能多的让点落在坐标轴上。
作法:
充分利用图形中的垂直关系或构造垂直关系来建立空间直角坐标系.
类型举例如下:
(一)用共顶点的互相垂直的三条棱构建直角坐标系
例1已知直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,AA1=2,底面ABCD是直角梯形,∠A为直角,AB∥CD,AB=4,AD=2,DC=1,求异面直线BC1与DC所成角的余弦值.
解析:如图1,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,则C1(0,1,2)、B(2,4,0),
∴,.
设与所成的角为,
则.
(二)利用线面垂直关系构建直角坐标系
例2如图2,在三棱柱ABC-A1B1C1中,AB⊥侧面BB1C1C,E为棱CC1上异于C、C1的一点,EA⊥EB1.已知,BB1=2,BC=1,∠BCC1=.求二面角A-EB1-A1的平面角的正切值.
解析:如图2,以B为原点,分别以BB1、BA所在直线为y轴、z轴,过B点垂直于平面AB1的直线为x轴建立空间直角坐标系.
由于BC=1,BB1=2,AB=,∠BCC1=,
∴在三棱柱ABC-A1B1C1中,有B(0,0,0)、A(0,0,)、B1(0,2,0)、.设且,
由EA⊥EB1,得,
即
,∴,
即或(舍去).故.
由已知有故二面角A-EB1-A1的平面角的大小为向量与的夹角.
因,
故,即
(三)利用面面垂直关系构建直角坐标系
例3如图3,在四棱锥V-ABCD中,底面ABCD是正方形,侧面VAD是正三角形,平面VAD⊥底面ABCD.
(1)证明AB⊥平面VAD;
(2)求面VAD与面VDB所成的二面角的余弦值.
解析:(1)取AD的中点O为原点,建立如图3所示的空间直角坐标系.
设AD=2,则A(1,0,0)、D(-1,0,0)、B(1,2,0)、V(0,0,),
∴=(0,2,0),=(1,0,-).
由,得
AB⊥VA.
又AB⊥AD,从而AB与平面VAD内两条相交直线VA、AD都垂直,
∴AB⊥平面VAD;
(2)设E为DV的中点,则
∴.
∴,
∴EB⊥DV.
又EA⊥DV,因此∠AEB是所求二面角的平面角.
∴.
故所求二面角的余弦值为.
(四)利用正棱锥的中心与高所在直线构建直角坐标系
例4已知正四棱锥V-ABCD中,E为VC中点,正四棱锥底面边长为2a,高为h.
(1)求∠DEB的余弦值;
(2)若BE⊥VC,求∠DEB的余弦值.
解析:(1)如图4,以V在平面AC的射影O为坐标原点建立空间直角坐标系,其中Ox∥BC,Oy∥AB,则由AB=2a,OV=h,有B(a,a,0)、C(-a,a,0)、D(-a,-a,0)、V(0,0,h)、
∴,.
∴,
即;
(2)因为E是VC的中点,又BE⊥VC,
所以,即,
∴,∴.
这时,即.
引入空间向量坐标运算,使解立体几何问题避免了传统方法进行繁琐的空间分析,只需建立空间直角坐标系进行向量运算,而如何建立恰当的坐标系,成为用向量解题的关键步骤之一.下面以高考考题为例,剖析建立空间直角坐标系的三条途径.
(五)利用图形中的对称关系建立坐标系
图形中虽没有明显交于一点的三条直线,但有一定对称关系(如正三棱柱、正四棱柱等),利用自身对称性可建立空间直角坐标系.
例5已知两个正四棱锥P-ABCD与Q-ABCD的高都为2,AB=4.
(1)证明:PQ⊥平面ABCD;
(2)求异面直线AQ与PB所成的角;
(3)求点P到面QAD的距离.
简解:(1)略;
(2)由题设知,ABCD是正方形,且AC⊥BD.由(1),PQ⊥平面ABCD,故可分别以直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系(如图1),易得,.
所求异面直线所成的角是.
(3)由(2)知,点设n=(x,y,z)是平面QAD的一个法向量,则得取x=1,得.点P到平面QAD的距离.
点评:利用图形所具备的对称性,建立空间直角坐标系后,相关点与向量的坐标应容易得出.第(3)问也可用“等体积法”求距离.
二、向量法解立体几何
知识点
向量的数量积和坐标运算
a,b是两个非零向量,它们的夹角为θ,则数|a|?|b|?cosθ叫做a与b的数量积(或内积),记作a
若a=
①a?
②|a
③a
④cos
例题讲解
题型:求角度相关
1.异面直线m,
图1分别在直线m,n上取定向量a,b,则异面直线m,n所成
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