1.1.2 空间向量的数量积运算-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二数学选择性必修第一册同步课堂高效讲义配套课件(人教A版)
2025-10-11
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65页
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教辅
资源信息
| 学段 | 高中 |
| 学科 | 数学 |
| 教材版本 | 高中数学人教A版选择性必修第一册 |
| 年级 | 高二 |
| 章节 | 1.1.2 空间向量的数量积运算 |
| 类型 | 课件 |
| 知识点 | - |
| 使用场景 | 同步教学-新授课 |
| 学年 | 2025-2026 |
| 地区(省份) | 全国 |
| 地区(市) | - |
| 地区(区县) | - |
| 文件格式 | PPTX |
| 文件大小 | 6.73 MB |
| 发布时间 | 2025-10-11 |
| 更新时间 | 2025-10-11 |
| 作者 | 山东正禾大教育科技有限公司 |
| 品牌系列 | 金版新学案·高中同步课堂高效讲义 |
| 审核时间 | 2025-10-11 |
| 下载链接 | https://m.zxxk.com/soft/54206429.html |
| 价格 | 5.00储值(1储值=1元) |
| 来源 | 学科网 |
|---|
摘要:
该高中数学课件聚焦空间向量的数量积运算,涵盖夹角定义、数量积的概念性质运算律及垂直证明、夹角模长求解等核心内容。通过类比平面向量问题导入,结合几何图示与正方体实例,搭建从平面到空间的学习支架,衔接前后知识。
其亮点在于以直观想象为核心,通过正方体、正四面体模型培养数学眼光,典例变式训练发展逻辑推理与数学运算能力,规律方法总结提升数学语言表达。随堂与分层评价助力学生深化理解,教师可借其优化教学效率。
内容正文:
1.1.2 空间向量的数量积运算
第一章 单元学习一 空间向量及其运算
学习目标
1.了解空间向量的夹角;掌握空间向量的数量积的定义、性
质、运算律及计算方法,培养直观想象、数学运算的核心
素养.
2.了解空间向量投影的概念以及投影向量的意义,培养直观想
象的核心素养.
3.掌握两个向量的数量积在判断垂直中的应用,掌握利用向量
数量积求空间两点间的距离,提升逻辑推理和数学运算的核
心素养.
任务一 空间向量的夹角
1
任务二 空间向量的数量积
2
任务三 利用数量积证明垂直问题
3
课时分层评价
6
任务四 利用数量积求夹角和模
4
内容索引
随堂评价
5
任务一 空间向量的夹角
返回
问题导思
(阅读教材P6,完成探究问题1)
问题1.类比两个平面向量a和b的夹角的定义,那么对于两个空间向量a和b,它们的夹角又该如何定义呢?
提示:已知两个非零向量a,b,在空间任取一点O,作=a,=b,则∠AOB叫做向量a,b的夹角,记作〈a,b〉.
新知构建
定义 已知两个非零向量a,b,在空间任取一点O,作=a,=b,则__________叫做向量a,b的夹角,记作〈a,b〉
图示
范围 ____________________
向量垂直 如果〈a,b〉=,那么向量a,b互相垂直,记作____
∠AOB
0≤〈a,b〉≤π
a⊥b
因为向量是自由向量,空间中的任意两个向量都能平移到同一平面内,因此,空间中两向量的夹角的实质就是平面内两向量的夹角.
微提醒
如图,在正方体ABCD -A'B'C'D'中,求向量分别与向量,,,,的夹角.
解:连接BD(图略),
则在正方体ABCD -A'B'C'D'中,
AC⊥BD,∠BAC=45°,AC=AD'=CD',
所以〈, 〉=〈, 〉=45°,
〈, 〉=180°-〈, 〉=135°,
〈, 〉=∠D'AC=60°,
〈, 〉=180°-〈, 〉=180°-60°=120°,〈, 〉=〈, 〉=90°.
典例
1
规律方法
1.求两个空间向量的夹角时,要结合夹角的定义和图形,以防
出错.
2.对空间任意两个非零向量a,b有:
(1)〈a,b 〉 =〈b,a 〉;
(2)〈-a,b 〉=〈a,-b 〉=π-〈a,b 〉;
(3)〈-a,-b〉=〈a,b .
对点练1.(1)对于空间任意两个非零向量a,b,“a∥b”是“〈 a,b 〉=
0”的
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
因为a∥b,包括向量a和b同向共线和反向共线两种情况,所以当a∥b时,有〈a,b 〉=0或〈a,b 〉=π,不能得到〈a,b 〉=0,充分性不成立;〈a,b 〉=0,则a和b方向相同,有a∥b,必要性成立,故“a∥b”是“〈a,b 〉=0”的必要不充分条件.故选B.
√
(2)(双空题)在正四面体ABCD中,与的夹角等于______;与的夹角等于______.
120°
60°
由正四面体每个面都是正三角形可知,〈, 〉 =180°-〈, 〉 =180°-60°=120°;〈, 〉 =〈, 〉 =60°.
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任务二 空间向量的数量积
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问题导思
(阅读教材P6-7,完成探究问题2)
问题2.类比平面向量的数量积的定义,你能给出空间两向量数量积的定义吗?空间向量的数量积运算满足哪些运算律?
提示:能给出空间两向量数量积的定义,即已知两个非零向量a,b,则|a||b|cos〈a,b〉叫做a,b的数量积,记作a·b,即a·b=|a||b|cos〈a,b 〉.
空间向量的数量积运算满足:(1)数乘向量与向量数量积的结合律:(λa)·b=λ(a·b),λ∈R;(2)交换律:a·b=b·a;(3)分配律:(a+b)·c=a·c+b·c.
新知构建
1.定义:已知两个非零向量a,b,则_____________________叫做a,b的数量积,记作a·b.即a·b=______________________.规定:零向量与任意向量的数量积为___.
2.数量积的运算律
数乘向量与向量
数量积的结合律 (λa)·b=λ(a·b),λ∈R
交换律 a·b=____
分配律 (a+b)·c=________
|a||b|cos〈a,b〉
|a||b|cos 〈a,b〉
0
b·a
a·c+b·c
3.数量积的性质
向量数量积的性质 垂直 若a,b是非零向量,则a⊥b⇔________
共线 同向:则a·b=|a|·|b|
反向:a·b=-|a|·|b|
模 a·a=|a||a|cos〈a,a〉=_______,|a|=,|a·b|≤|a|·|b|
夹角 θ为a,b的夹角,则cos θ=
a·b=0
|a|2
对于向量a,b,c,(a·b)·c=a·(b·c)成立吗?为什么?
提示:不成立.例如,任取三个不共面向量a,b,c,(a·b)·c是一个数与向量c作数乘,a·(b·c)是一个数与向量a作数乘,而a,c不在同一个方向上,所以(a·b)·c与a·(b·c)不相等.
微思考
4.投影向量
(1)向量a在向量b上的投影向量
先将向量a与向量b平移到同一平面α内,如图①,向量c称为向量a在向量b上的投影向量,c=________________________.
|a|cos〈a,b 〉
(2)向量a在直线l上的投影向量
如图②,向量c称为向量a在直线l上的投影向量.
(3)向量a在平面β上的投影向量
如图③,分别由向量a的起点A和终点B作平面β的垂线,垂足分别为A',B',得到向量,则向量(a')称为向量a在平面β上的投影向量.向量a与向量a'的夹角就是向量a所在直线与平面β所成的角.
微提醒
(1)向量a,b的数量积记为a·b,而不能表示为a×b或者ab.(2)向量的数量积的结果为实数,而不是向量,它可以是正数、负数或零,其符号由夹角θ的范围决定.①当θ为锐角时,a·b>0;但当a·b>0时,θ不一定为锐角,因为θ也可能为0.②当θ为钝角时,a·b<0;但当a·b<0时,θ不一定为钝角,因为θ也可能为π.
(链教材P7例2)如图,在长方体ABCD -A'B'C'D'中,E是AA'的中点,AA'=AD=2,AB=4,求:
(1)·;
解:因为是长方体,而且AA'=AD=2,
所以<,>=∠B'BC'=45°,
||=AA'=1,=BC'==2,
所以·=cos<,>=2×1×=2.
典例
2
解:由题意知,=++,==,
所以·=·=-+·+·.
因为⊥,⊥,所以·=0,·=0,
所以·=-=-2.
(2)·.
变式探究
(变条件,变结论)若P是C'D'的中点.试确定向量在
直线B'C'上的投影向量,并求·.
解:因为A'B'⊥B'C',PC'⊥B'C',所以向量在直线
B'C'上的投影向量为,故·==4.
规律方法
求空间向量数量积的步骤
第一步:将待求数量积的两向量的模长及它们的夹角理清;
第二步:利用向量的运算律将数量积展开,转化为已知模和夹角余弦值的乘积;
第三步:代入a·b=|a||b|cos〈a,b〉求解.
√
对点练2.(1)已知空间向量|a|=,|b|=5,且a与b夹角的余弦值为-,则a在b上的投影向量为
A.-b B.b
C.b D.-b
a在b上的投影向量为·=·=-·=-b.故
选D.
由题意得,a·b=b·c=c·a=12×cos =,则·=2(a-b)·(b-c)=2(a·b-a·c-b2+b·c)=2(--1+)=-1.
(2)若a,b,c为空间中两两夹角为的单位向量,=2a-2b,=b-c,则·=_____.
-1
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任务三 利用数量积证明垂直问题
返回
(链教材P10T9、T10)如图所示,已知空间四边形
ABCD的各边和对角线的长都为a,点M,N分别是AB,
CD的中点.证明:MN⊥AB.
证明:由题意可知,===a,且向量,,两两的夹角均为60°,连接AN(图略),
则=-=+)-.
所以·=
==0,
所以⊥,即MN⊥AB.
典例
3
规律方法
用向量法证明空间线线、线面垂直的思路
1.证明两直线垂直:可分别构造与两直线平行的向量,只要证明这两个向量的数量积为0即可.
2.证明线面垂直:需将线面垂直转化为线线垂直,然后利用向量数量积证明线线垂直即可.
对点练3.如图,已知三棱柱ABC-A1B1C1的侧棱垂直于底面,∠BAC=90°.求证:AB⊥AC1.
证明:因为AA1⊥平面ABC,∠BAC=90°,AB⊂平面ABC,
所以AA1⊥AB,AB⊥AC.
因为=+,
所以·=·=·+·=0,
所以⊥,即AB⊥AC1.
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任务四 利用数量积求夹角和模
返回
如图,平行六面体ABCD -A1B1C1D1的底面是菱形,
且∠C1CB=∠C1CD=∠BCD=60°,CD=CC1=2.
解:设=a,=b,=c,则|a|=|b|=
|c|=2,<a,b>=<a,c>=<b,c>=60°,
因为=-=c-(),
所以==
=c2+a2+b2-2a·c-2b·c+2a·b
=12-2×2×2×cos 60°=8,
所以AC1=2.
(1)求AC1的长;
典例
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(2)求异面直线CA1与DC1所成角的余弦值.
解:因为=a+b+c,=c-a,
所以·=()·()=c2-a2+b·c-a·b=0,
所以⊥,
所以异面直线CA1与DC1所成的角为90°,余弦值为0.
规律方法
1.利用数量积求夹角或其余弦值的步骤
规律方法
2.利用数量积求两点间的距离或线段的长度的步骤
第一步:将此线段用向量表示;
第二步:用其他已知夹角和模的向量表示该向量;
第三步:利用|a|=,计算出|a|,即得所求距离.
对点练4.(1)如图,正三棱柱(底面是正三角形的直三棱柱)ABC-A1B1C1的各棱长都为2,E,F分别是AB,A1C1的中点,则EF的长为______.
设=a,=b,=c.由题意,知|a|=|b|=|c|=2,且〈a,b〉=60°,〈 a,c 〉=〈 b,c 〉=90°.因为=++=-++=-a+b+c,所以||2==a2+b2+c2+2=×22+×22+22+2××2×2cos 60°=1+1+4-1=5,所以||=,即EF=.
(2)已知空间四边形OABC各边及对角线长都等于2,E,F分别为AB,OC的中点,则异面直线OE与BF所成角的余弦值为____.
由已知得=+),=-=-,因此||=|+|==,||===.又因为·=+)·=×2-×2+×2-2=-2,所以cos<,>===-.故异面直线OE与BF所成角的余弦值为.
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课堂小结
任务再现 1.空间向量的夹角.2.空间向量数量积的定义、投影向量有关定义、数量积的性质及运算律.3.利用数量积证明垂直、求夹角和模
方法提炼 转化化归法、类比法、公式法
易错警示 1.向量的夹角只注重角度大小,而忽视向量的方向.2.数量积的运算不满足结合律,更不存在“消去律”.3.当a≠0时,由a·b=0可得a⊥b或b=0
随堂评价
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选项A、D中的向量的夹角为45°,选项B、C中的向量的夹角为135°.故选AD.
√
1.(多选)如图,在正方体ABCD -A1B1C1D1中,下列各组向量的夹角为45°的是
A.与 B.与
C.与 D.与
√
由题意知,|a|=4,|e|=1,〈a,e 〉=,则空间向量a在向量e上的投影向量为|a|cos ·=4×(-=-2e.故选B.
√
2.已知|a|=4,空间向量e为单位向量,〈a,e〉=,则空间向量a在向量e上的投影向量为
A.2e B.-2e
C.-e D.e
因为=++,所以==+++2·+2·+2·,因为AB=AD=2,AA1=4,∠A1AB=∠A1AD=60°,AC1=2,所以4+4+16+8cos∠BAD+16cos 60°+16cos 60°=44,解得cos∠BAD=.
3.平行六面体ABCD -A1B1C1D1的底面是菱形,AB=2,AA1=4,∠A1AB=∠A1AD=60°,线段AC1的长度为2,则cos∠BAD=_____.
法一:连接A1D,PD(图略),则∠PA1D就是所成的角,在△PA1D中,易得PA1=DA1=PD=,即△PA1D为等边三角形,从而∠PA1D=60°,即所成角的大小为60°,因此·=××cos 60°=1.
4.(双空题)如图,在长方体ABCD -A1B1C1D1中,设AD=AA1=1,AB=2,P是 C1D1的中点,则与所成角的大小为______;·=____.
60°
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法二:根据向量的线性运算可得·=(+)·==1.由题意可得PA1=B1C=,则××cos〈, 〉 =1,cos 〈 , 〉=,从而〈 , 〉=60°.
课时分层评价
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由题意可得=,所以〈 , 〉= 〈 , 〉=180°- 〈 , 〉=180°-60°=120°.故选C.
√
1.在正四面体ABCD中,点E,F分别是AC,AD的中点,则与的夹
角为
A.30° B.60°
C.120° D.150°
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由题意可得a·b=cos 60°=1×2×=1,====.故选C.
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2.已知空间向量a,b的夹角为60°,且=1,=2,那么等于
A. B.2
C. D.7
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3.已知a,b是异面直线,a⊥b,e1,e2分别为取自直线a,b上的单位向量,且m=2e1+3e2,n=ke1-4e2,m⊥n,则实数k的值为
A.-6 B.6
C.3 D.-3
因为a,b是异面直线,a⊥b,e1,e2分别为取自直线a,b上的单位向量,所以e1⊥e2,则e1·e2=0.因为m⊥n,所以m·n=0,即()·()=0,所以2k-8e1·e2+3ke1·e2-12=0,所以2k-12=0,解得k=6.故选B.
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由于AA1⊥平面A1B1C1D1,A1Pi⊂平面A1B1C1D1,所以AA1⊥A1Pi.又·=·=·=+·=(其中i=1,2,3,4),所以集合M中元素的个数是1.故选A.
√
4.如图,在正四棱柱ABCD -A1B1C1D1中,AA1=2AB,H为AA1的中点,P1,P2,P3,P4分别是A1D1,D1C1,C1B1,B1A1的中点,则集合M={m|m=中元素的个数为
A.1 B.2
C.3 D.4
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对于A,若a·b=0,则a=0或b=0或a⊥b,故A正确;对于B,向量的运算满足平方差公式,所以(3a+2b)·(3a-2b)=9|a|2-4|b|2,故B正确;对于C,若a,b,c为空间向量中的单位向量,且a,b夹角为90°,b,c的夹角为60°,则·c=0,a·=a,·c-a·≠0,故C错误;对于D,因为=,故仅当cos θ=±1时,=,故D错误.故选AB.
√
5.(多选)下列四个结论正确的有
A.对于任意两个向量a,b,若a·b=0,则a=0或b=0或a⊥b
B.对于任意两个向量a,b,(3a+2b)·(3a-2b)=9|a|2-4|b|2
C.空间中任意三个向量a,b,c 都满足()·c-a·()=0
D.对于任意两个向量a,b,都有=
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6.在三维空间中,三个非零向量,,满足⊥,⊥,⊥,则△ABC是
A.锐角三角形 B.直角三角形
C.钝角三角形 D.直角三角形或锐角三角形
由题意得,·=0,·=0,·=0,·=(-)·(-)=·-·-·+=||2>0,所以cos ∠CAB=>0,即∠CAB为锐角.同理可知∠ABC,∠BCA也为锐角.故△ABC是锐角三角形.故选A.
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cos〈 a,b 〉===-,由〈 a,b 〉的范围为,所以
〈 a,b 〉=.
7.已知=4,=3,a·b=-12,则a与b的夹角〈a,b 〉 =____.
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因为=3,=4且向量a,b的夹角为,所以a·b=cos=3×4×=6,所以2a+b在a方向上的投影向量为·=·a=a=a.
8.已知空间向量a,b满足=3,=4且向量a,b的夹角为,则2a+b在a方向上的投影向量为_____.
a
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由于AC⊥α,AB,BD在平面α内,所以AC⊥AB,AC⊥BD,又BD⊥AB,
所以·=0,·=0,·=0.由于=++,所以=+++2·+2·+2·=25+16+9=50,所以CD==5.
9.如图,已知线段AB,BD在平面α内,BD⊥AB,AC⊥α,
且AB=4,BD=3,AC=5,则CD=______.
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10.(13分)如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为3的菱形,PC=4,∠ABC=∠BCP=∠DCP=120°.
(1)利用空间向量证明PA⊥BD;
解:证明:设=a,=b,=c,
则=-=b-a,
=++=a+b+c,
所以·=·=b2-a2+b·c-a·c=32-32+3×4cos 60°-3×4cos 60°=0,所以⊥,故PA⊥BD.
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(2)求AP的长.
解:由(1)知=a+b+c,
所以=(a+b+c)2=a2+b2+c2+2a·b+2b·c+2a·c
=32+32+42+2×3×3cos 60°+2×3×4cos 60°+2×3×4cos 60°=9+9+16+9+12+12=67.
所以AP==.
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11.已知空间向量a,b,c满足a+b+c=0,|a|=2,|b|=3,|c|=4,则a与b的夹角为
A.30° B.45°
C.60° D.以上都不对
设a与b的夹角为θ,由a+b+c=0,得a+b=-c,两边平方,得a2+2a·b+b2=c2.因为|a|=2,|b|=3,|c|=4,所以4+2×2×3cos θ+9=16,解得cos θ=,即A,B,C选项均不符合cos θ=.故选D.
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12.(多选)(2024·河北张家口高二期中)如图,在三棱柱ABC-A1B1C1中,M,N分别是A1B,B1C1上的点,且BM=2A1M,C1N=2B1N.设=a,=b,=c,若∠BAC=90°,∠BAA1=∠CAA1=60°,AB=AC=AA1=1,则下列说法中正确的是
A.=a+b+c
B.=
C.直线AB1和直线BC1相互垂直
D.直线AB1和直线BC1所成角的余弦值为
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对于A,=++=++=
-+++-)=++,
又=a,=b,=c,所以=a+b+c,故
A正确;对于B,因为AB=AC=AA1=1,所以|a|=|b|=|c|=1.因为∠BAC=90°,所以a·b=0.因为∠BAA1=∠CAA1=60°,所以a·c=b·c=,所以||2=(a+b+c)2=(a2+b2+c2+2a·b+2a·c+2b·c)=(3+1+1)=,
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所以||2=(a+b+c)2=(a2+b2+c2+2a·b+2a·c+2b·c)=(3+1+1)=,所以||=,故B正确;对于C、D,=a+c,=c+b-a,cos<,>====,故D正确,C错误.故选ABD.
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13.在四面体OABC中,已知OA,OB,OC两两垂直,且OA=3,OB=6,OC=9,若G是△ABC的重心,则OG=______.
如图所示,取BC的中点D,根据三角形重心的性质,
可得AG=AD,根据向量的运算法则,可得=
+=+=++) =+[(
-)+-)]=++),所以=+++2·+2·+2·)=(9+36+81+0+0+0)=14,所以=,即OG=.
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14.(17分)已知长方体ABCD -A1B1C1D1中,点Q是BC上的动点,如图,点P是B1C1上的动点,AB=BC=2,AA1=1.
(1)求·;
解:·=·
=·+·+·,
因为AD⊥AB,AD⊥AA1,
所以⊥,⊥,
即·=0,·=0,
因此·===4.
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(2)求·的取值范围.
解:·=·
=·+·+·+·+·+·,
因为AA1⊥AB,C1P⊥AB,AA1⊥BQ,AB⊥BQ,
所以·=0,·=0,·=0,·=0,
因此·=·+·
=-·,
设=x,=y, 0≤x≤2,0≤y≤2,
则·=4-xy,
由于0≤xy≤4,所以-4≤-xy≤0,
所以0≤4-xy≤4,
故·.
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15.已知点P在棱长为2的正方体表面上运动,AB是该正方体外接球的一条直径,则· 的最大值为
A.-3 B.-2
C.-1 D.0
√
依题意得,正方体外接球的直径=2,设O为正方体外接球的球心,则O为AB的中点,则有=-,且==,·=(-)·(-)=·-(+)·+=-·+=-3,由于≤=,所以·的最大值为0.故选D.
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16.(新情境)如图,甲站在水库底面上的点D处,乙站在水坝斜面上的点C处,已知水库底与水坝斜面所成的二面角为120°,测得从D,C到水库底与水坝斜面的交线的距离分别为DA=30 m,CB=40 m,若AB=20 m,则甲、乙两人相距
A.70 m B.70 m
C.90 m D.90 m
√
由于=++,所以||2=(++)2=||2+||2+||2+2(·+·+·)=302+(20)2+402+2×(0+0+30×40×cos 60°)=4 900,所以||=70,故甲、乙两人相距70 m.故选A.
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谢 谢 观 看
1.1.2 空间向量的数量积运算
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