内容正文:
1.2.2 空间中的平面与空间向量
[素养目标] 1.掌握平面的法向量概念、性质和求法,会利用平面的法向量证明有关线面、面面平行与垂直,重点提升逻辑推理、数学运算核心素养. 2.掌握三垂线定理及其逆定理,并能应用其解决有关线线垂直问题,重点提升直观想象核心素养.
平面的法向量
1.平面法向量的概念
如果α是空间中的一平面,n是空间中的一个非零向量,且表示n的有向线段所在直线与平面α垂直,则称n为平面α的一个法向量,此时,也称n与平面α垂直,记作n⊥α.
2.平面法向量的性质
(1)直线l,平面α,m是直线l的任意一个方向向量.l⊥α⇔m⊥α,m是平面α的法向量;
(2)如果n是平面α的一个法向量,则对任意实数λ≠0,空间向量λn也是平面α的一个法向量,而且平面α的任意两个法向量都平行;
(3)如果n是平面α的法向量,A为平面α上的一个已知的点,则对于平面α上任意一点B,向量⊥n,即·n=0,从而可知平面α的位置可由n和A唯一确定.
3.利用平面法向量判定直线与平面,平面与平面的位置关系
(1)如果ν是直线l的一个方向向量,n是平面α的一个法向量.n∥ν⇔l⊥α,n⊥ν⇔l∥α,或l⊂α.
(2)如果n1是平面α1的法向量,n2是平面α2的法向量.n1⊥n2⇔α1⊥α2,n1∥n2⇔α1∥α2,或α1与α2重合.
三垂线定理及其逆定理
1.射影的概念
已知空间中的平面α以及一点A,过点A作α的垂线l,设l与α相交于点A′,则A′就是点A在平面α内的射影(也称为投影),如图1,图形F上所有的点在平面α内的射影所成的集合F′,称为图形F在平面α内的射影.
2.三垂线定理及其逆定理
(1)三垂线定理:如果平面内的一条直线与平面的一条斜线在该平面内的射影垂直,则它也和这条斜线垂直.
(2)三垂线定理的逆定理:如果平面内的一条直线和这个平面的一条斜线垂直,则它也和这条斜线在该平面内的射影垂直.
(3)如图2,AB是平面α的斜线,AO⊥α,BO是AB在α内的射影,l⊂α,若l⊥BO,则l⊥AB;反之,若l⊥AB,则l⊥BO.
[点睛]
三垂线定理及其逆定理这两个定理中,“平面内”这个条件不能省略,否则不一定成立.这是因为由三垂线定理及其逆定理的证明过程可知:只有平面内的直线满足和斜线的射影(或斜线)垂直时,才能保证该直线垂直于斜线与垂线所在的平面,从而由线面垂直推出线线垂直.
[预习诊断]
1.思维辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)直线l的方向向量是唯一的.( )
(2)若点A,B是平面α上的任意两点,n是平面α的法向量,则·n=0.( )
(3)若向量n1,n2为平面α的法向量,则以这两个向量为方向向量的两条不重合直线一定平行.( )
答案:(1)× (2)√ (3)√
2.若平面α、β的法向量分别为u=(1,2,-2),ν=(-3,-6,6),则( )
A.α∥β B.α⊥β
C.α、β相交但不垂直 D.以上均不正确
解析:选A.∵u=(1,2,-2),ν=(-3,-6,6)=-3(1,2,-2)=-3u.∴α∥β.
3.下列命题中,正确的命题是( )
A.若a是平面α的斜线,直线b垂直于a在α内的射影,则a⊥b
B.若a是平面α的斜线,平面β内的直线b垂直于a在α内的射影,则a⊥b
C.若a是平面α的斜线,b是平面α内的一条直线,且b垂直于a在α内的射影,则a⊥b
D.若a是平面α的斜线,直线b平行于平面α,且b垂直于a在另一平面β内的射影,则a⊥b
解析:选C.根据三垂线定理判断C项正确,故选C.
求平面的一个法向量(小组探究)
(课本例2拓展)如图,四棱锥PABCD中,底面ABCD为矩形,PA⊥平面ABCD,E为PD的中点,AB=AP=1,AD=,试建立恰当的空间直角坐标系,求平面ACE的一个法向量.
【尝试解答】 因为PA⊥平面ABCD,底面ABCD为矩形,
所以AB,AD,AP两两垂直.
如图,以A为坐标原点,的方向为x轴的正方向,建立空间直角坐标系,则D(0,,0),E(0,,),B(1,0,0),C(1,,0),
于是=,=(1,,0).
设n=(x,y,z)为平面ACE的法向量,
则即
所以
令y=-1,则x=z=,
所以平面ACE的一个法向量为n=(,-1,).
利用待定系数法求平面法向量的步骤
(1)设向量:设平面的法向量为n=(x,y,z).
(2)选向量:在平面内选取两个不共线向量,.
(3)列方程组:由列出方程组.
(4)解方程组:
(5)赋非零值:取其中一个为非零值(常取±1).
(6)得结论:得到平面的一个法向量.
1.(多选题)平面α经过三点O(0,0,0),A(2,2,0),B(0,0,2),则平面α的法向量可以是( )
A.(-1,1,0)