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高中數(shù)學(xué):空間向量坐標(biāo)運(yùn)算法

建立適當(dāng)?shù)目臻g直角坐標(biāo)系,將有關(guān)向量坐標(biāo)化是解題的基礎(chǔ),然后通過向量的坐標(biāo)運(yùn)算使問題獲解。牢固掌握并靈活運(yùn)用空間向量的直角坐標(biāo)運(yùn)算法則,空間向量位置關(guān)系的判斷(運(yùn)算法則)是解題的關(guān)鍵。


例1、如圖,正三棱柱

的底面邊長(zhǎng)為a,側(cè)棱長(zhǎng)為
。

(1)建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系,并寫出A、B、A1、C1的坐標(biāo);

(2)求AC1與側(cè)面ABB1A1所成的角。

分析:(1)可建立不同的坐標(biāo)系,來確定所求點(diǎn)的坐標(biāo)。(2)取A1B1中點(diǎn)M,將所求的角轉(zhuǎn)化為

的夾角。

解法1:(1)以A為坐標(biāo)原點(diǎn),AB所在直線為y軸,

所在直線為z軸,以過原點(diǎn)且垂直于平面
的直線為x軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖3。

則A(0,0,0)、B(0,a,0)、A1(0,0,

)、C1(

(2)取A1B1的中點(diǎn)M,則M(0,

,

連AM、MC1,得

,且
=(0,a,0),
=(0,0,

所以

與AM所成的角就是AC1與側(cè)面ABB1A1所成的角。

因?yàn)?div id="c9ozetgccsir" class='imgcenter'>

,

所以

于是有

所以

所成的角,即AC1與側(cè)面ABB1A1所成的角為30°

解法2:(1)以線段AB中點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),直線和CO、OB、OM(M為A1B1的中點(diǎn))分別為x軸、y軸、z軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖示,易得A(0,

,0)、B(0,
,0),A1(0,
)、C1(
)。

(2)連C1M、AM,由(0,0,

),得
=(
),

因?yàn)镃1M垂直于坐標(biāo)平面yOz,即垂直于側(cè)面ABB1A1

所以

,則∠C1AM是AC1與側(cè)面ABB1A1所成的角

因?yàn)閠an∠C1AM=

所以∠C1AM=30°,即AC1與側(cè)面ABB1A1成30°角

說明:點(diǎn)的坐標(biāo)依賴于坐標(biāo)系,即選取的坐標(biāo)系不同,同一點(diǎn)的坐標(biāo)也不同,但不影響線面之間的位置關(guān)系。因此,要選取恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系,使有關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)盡可能簡(jiǎn)單。掌握空間點(diǎn)的坐標(biāo)的求法是空間坐標(biāo)運(yùn)算的難點(diǎn)。


例2、如圖,在四棱錐S-ABCD中,∠DAB=∠ABC=90°,側(cè)棱SA⊥底面AC,SA=AB=BC=a,AD=2a。

(1)求證:平面SAC⊥平面SCD;

(2)求二面角A—SD—C的大??;

(3)求異面直線SD與AC所成的角;

(4)設(shè)E為BD的中點(diǎn),求SE與平面SAC所成的角。

分析:空間中的三種角都是轉(zhuǎn)化成平面內(nèi)的角來定義和度量的,這是解答本題的關(guān)鍵。

證明:(1)以A為原點(diǎn),AB、AD、AS所在直線分別為x軸、y軸、z軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖6。則A(0,0,0)、S(0,0,a)、C(a,a,0)、D(0,2a,0),于是

=(0,0,a),
=(-a,-a,a),
=(-a,a,0)

所以

所以CD⊥SA,CD⊥SC,因而CD⊥平面SAC

因?yàn)镃D

平面SCD

所以平面SAC⊥平面SCD

(2)過A作AF⊥SD,過C作CG⊥SD,則

的夾角就是二面角A—SD—C的平面角。易知F(0,
),G(0,
),則

于是

所以

所以二面角A—SD—C的大小為

(3)因?yàn)?div id="c9ozetgccsir" class='imgcenter'>

=(0,2a,-a),
=(a,a,0)

所以

所以SD與AC所成的角為

(4)因CD⊥平面SAC,則

為平面SAC的法向量,
=(-a,a,0)。又E為BD的中點(diǎn),則E(
,a,0)

所以

所以

所以SC與平面SAC所成的角為

說明:在解有關(guān)空間角的計(jì)算問題時(shí),應(yīng)按“一作、二證、三計(jì)算”的步驟進(jìn)行。最后寫表達(dá)式時(shí),必須注意角的取值范圍。


例3、如圖,在底面是棱形的四棱錐P—ABCD中,∠ABC=60°,PA=AC=a,PB=PD=

,點(diǎn)E在PD上,且PE:ED=2:1,在棱PBC上是否存在一點(diǎn)F,使BF//平面AEC?證明你的結(jié)論。

分析:依題設(shè)條件可構(gòu)造空間直角坐標(biāo)系,然后用假設(shè)法,即假設(shè)滿足條件的點(diǎn)F存在,證得

線性表示即可。

證明:在△ABP中,易證

,則PA⊥AB。同理可證PA⊥AD,于是PA⊥平面ABCD。故可以A為原點(diǎn),直線AD、AP分別為y軸、z軸,過A垂直平面PAD的直線為x軸,建立空間直角坐標(biāo)系,如圖7,則A(0,0,0),B(
),C(
)、D(0,a,0)、P(0,0,a)。作EG//PA交AD于G,由PE:ED=2:1,得
,則E(0,
),所以
,
=(
),
。

設(shè)F是PC上的點(diǎn),

(其中0<><>

再設(shè)

,得

解得

時(shí),
,即當(dāng)F是PC中點(diǎn)時(shí),
共面。

平面AEC,所以當(dāng)F是PC中點(diǎn)時(shí)BF//平面AEC

說明:本題無明顯的建系條件,尚需通過論證尋找垂直關(guān)系建系,此為構(gòu)造建系法。

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