1.4 空间向量的应用-【新教材】人教A版高中数学选择性必修第一册同步讲义（学生版+教师版）

空间向量的应用 【要点梳理】 要点一、直线的方向向量和平面的法向量 1.直线的方向向量： 若A、B是直线上的任意两点，则为直线的一个方向向量；与平行的任意非零向量也是直线的方向向量。 要点诠释： （1）在直线上取有向线段表示的向量，或在与它平行的直线上取有向线段表示的向量，均为直线的方向向量。 （2）在解具体立体几何题时，直线的方向向量一般不再叙述而直接应用，可以参与向量运算或向量的坐标运算。 2. 平面的法向量定义： 已知平面，直线，取的方向向量，有，则称为为平面的法向量。 要点诠释：一个平面的法向量不是唯一的，在应用时，可适当取平面的一个法向量。已知一平面内两条相交直线的方向向量，可求出该平面的一个法向量。 3.平面的法向量确定通常有两种方法： （1） 几何体中有具体的直线与平面垂直，只需证明线面垂直，取该垂线的方向向量即得平面的法向量； （2） 几何体中没有具体的直线，一般要建立空间直角坐标系，然后用待定系数法求解，一般步骤如下： （i）设出平面的法向量为n=（x，y，z）； （ii）找出（求出）平面内的两个不共线的向量的坐标a=（a1，b1，c1），b=（a2，b2，c2）； （iii）根据法向量的定义建立关于x、y、z的方程； （iv）解方程组，取其中的一个解，即得法向量．由于一个平面的法向量有无数个，故可在代入方程组的解中取一个最简单的作为平面的法向量． 要点二、用向量方法判定空间中的平行关系 空间中的平行关系主要是指：线线平行、线面平行、面面平行。 （1）线线平行 设直线，的方向向量分别是，，则要证明，只需证明，即。 （2）线面平行 线面平行的判定方法一般有三种： ①设直线的方向向量是，平面的法向量是，则要证明，只需证明，即。 ②根据线面平行的判定定理：要证明一条直线和一个平面平行，可以在平面内找一个向量与已知直线的方向向量是共线向量。 ③根据共面向量定理可知，要证明一条直线和一个平面平行，只要证明这条直线的方向向量能够用平面内两个不共线向量线性表示即可。 （3）面面平行 ①由面面平行的判定定理，要证明面面平行，只要转化为相应的线面平行、线线平行即可。 ②若能求出平面，的法向量，，则要证明，只需证明。 要点三、用向量方法判定空间的垂直关系 空间中的垂直关系主要是指：线线垂直、线面垂直、面面垂直。 （1）线线垂直 设直线，的方向向量分别为，，则要证明，只需证明，即。 （2）线面垂直 ①设直线的方向向量是，平面的法向量是，则要证明，只需证明。 ②根据线面垂直的判定定理转化为直线与平面内的两条相交直线垂直。 （3）面面垂直 ①根据面面垂直的判定定理转化为证相应的线面垂直、线线垂直。 ②证明两个平面的法向量互相垂直。 要点四、用向量方法求空间角 （1）求异面直线所成的角 已知a，b为两异面直线，A，C与B，D分别是a，b上的任意两点，a，b所成的角为， 则 （2）求直线和平面所成的角 设直线的方向向量为，平面的法向量为，直线与平面所成的角为，与的角为， 则有。 （3）求二面角 如图，若于A，于B，平面PAB交于E， 则∠AEB为二面角的平面角，∠AEB+∠APB=180°。 若分别为面，的法向量， 则二面角的平面角或，即二面角等于它的两个面的法向量的夹角或夹角的补角。 ①当法向量与的方向分别指向二面角的内侧与外侧时，二面角的大小等于，的夹角的大小。 ②当法向量，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，的夹角的补角的大小。 要点五、 用向量方法求空间距离 求点面距的一般步骤： ①求出该平面的一个法向量； ②找出从该点出发的平面的任一条斜线段对应的向量； ③求出法向量与斜线段向量的数量积的绝对值再除以法向量的模，即可求出点到平面的距离。 即：点A到平面的距离，其中，是平面的法向量。 线面距、面面距均可转化为点面距离，用求点面距的方法进行求解。 直线与平面之间的距离：，其中，是平面的法向量。 两平行平面之间的距离：，其中，是平面的法向量。 【典型例题】 类型一、求平面的法向量 例1．已知正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1，在BC、DD1上是否存在点E、F，使成为平面ABF的法向量？若存在，请证明你的结论，并求出点E、F满足的条件；若不存在，请说明理由． 【解析】如图所示的空间直角坐标系， 则A（1，0，1），B（1，1，1），B1（1，1，0）． 设F（0，0，h），E（m，1，1）， 则，，． ∵，∴AB⊥B1E．若是平面ABF的法向量，则 ，∴h=m． 即E、F满足D1F=CE时，是平面ABF的法向量． 故存在，且E、F满足D1F=CE． 举一反三： 【变式1】如图，在长方体ABCD—A1B1C1D1中，AD=AA1=1，A