内容正文:
1.2 空间向量在立体几何中的应用
1.2.1 空间中的点、直线与空间向量
课程标准
核心素养目标
1.能用向量语言描述直线和平面,理解直线的方向向量.
2.能用向量语言表述直线的平行、垂直关系.
3.能用向量方法解决直线的平行与垂直的有关问题.
1.理解位置向量、方向向量的概念.(数学抽象,直观想象)
2.能利用直线的方向向量解决两条直线所成的角问题.(数学运算)
3.初步了解两条异面直线的距离的定义.(数学抽象)
1.点的位置向量
一般地,如果在空间中指定一点O,那么空间中任意一点P的位置,都可以由向量唯一确定,此时, 通常称为点P的位置向量.
2.直线的方向向量
一般地,如果l是空间中的一条直线,v是空间中的一个非零向量,且表示v的有向线段所在的直线与l平行或重合,则称v为直线l的一个方向向量.
此时,也称向量v与直线l平行,记作v∥l.
几个结论:
(1)如果A,B是直线l上两个不同的点,则v=是直线l的一个方向向量;
(2)如果v是直线l的一个方向向量,则对任意的实数λ≠0,空间向量λv也是直线l的一个方向向量,直线l的任意两个方向向量都平行.
(3)如果v是直线l的一个方向向量,A为直线l上一个已知的点,则空间中直线l的位置关系可由v和点A唯一确定.
(4)如果v1是直线l1的一个方向向量,v2是直线l2的一个方向向量,则v1∥v2⇔l1∥l2或l1与l2重合.
[微练1]已知a=(1,2,),b=(,x,y)分别是直线l1,l2的一个方向向量.若l1∥l2,则( D )
A.x=3,y= B.x=,y=
C.x=3,y=15 D.x=3,y=
解析:因为l1∥l2,所以==,所以x=3,y=,故选D.
3.空间中两条直线所成的角
设v1,v2分别是空间中直线l1,l2的方向向量,且l1与l2所成角的大小为θ,则θ=〈v1,v2〉或θ=π-〈v1,v2〉,特别地,sin θ=sin 〈v1,v2〉,cos θ=|cos 〈v1,v2〉|; l1⊥l2⇔〈v1,v2〉=⇔v1·v2=0.
[微练2]已知直线a,b的方向向量分别是m=(1,k,1),n=(k,k+2,2),若a⊥b,则k=-1或-2.
解析:∵a⊥b,∴m⊥n,即m·n=0.∴k+k2+2k+2=0,即k2+3k+2=0,∴k=-2或k=-1.
4.两条异面直线的距离
一般地,如果l1与l2是空间中两条异面直线,M∈l1,N∈l2,MN⊥l1,MN⊥l2,则称MN为l1与l2的公垂线段,并且空间中任意两条异面直线的公垂线段都存在并且唯一.两条异面直线的公垂线段的长,称为这两条异面直线之间的距离.
知识点一
利用向量法判定直线的位置关系
设a,b分别是两条不重合的直线l1,l2的方向向量,根据下列条件判断l1,l2的位置关系:
(1)a=(2,3,-1),b=(-6,-9,3);
(2)a=(5,0,2),b=(0,4,0).
解:(1)∵a=(2,3,-1),b=(-6,-9,3),
∴a=-b,
∴a∥b.∴l1∥l2.
(2)∵a=(5,0,2),b=(0,4,0),∴a·b=0.∴a⊥b,∴l1⊥l2.
判断直线的位置关系,可用直线对应的方向向量的坐标来刻画,对于此类问题应注意先要进行宏观判断,再合理地选取坐标公式.
若直线l1的方向向量u1=(a1,b1,c1),直线l2的方向向量为u2=(a2,b2,c2).(注:下面的λ,k∈R).
(1)如果l1∥l2,那么u1∥u2⇔ u1=λu2⇔(a1,b1,c1)=λ(a2,b2,c2);
(2)如果l1⊥l2,那么u1⊥u2⇔u1·u2=0⇔a1a2+b1b2+c1c2=0.
已知a=(-2,-3,1),b=(2,0,4),c=(-4,-6,2),则下列结论正确的是( )
A.a∥c,b∥c B.a∥b,a⊥c
C.a∥c,a⊥b D.以上都不对
C 解析:∵a=(-2,-3,1),b=(2,0,4),c=(-4,-6,2),∴a·b=-4+0+4=0,∴a⊥b.∵==,∴a∥c.
知识点二
利用向量法求两条直线所成的角
如图,在三棱柱OABO1A1B1中,平面OBB1O1⊥平面OAB,∠O1OB=60°,∠AOB=90°,且OB=OO1=2,OA=,求异面直线A1B与AO1所成角的余弦值的大小.
解:以O为坐标原点,,的方向为x轴,y轴的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系.
则O(0,0,0),O1(0,1,),A(,0,0),A1(,1,),B(0,2,0),
==.
∴异面直线A1B与AO1所成角的余弦值为.
求异面直线所成角的两类方法
(1)传统法:作出与异面直线所成角相等的平面角,进而构造三角形求解.这种方法灵活技巧性强