内容正文:
第一章 空间向量与立体几何
1.1 空间向量及其运算
1.1.1 空间向量及其线性运算
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第一章 空间向量与立体几何
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课前案·自主学习
01
课堂案·互动探究
02
课后案 ·学业评价
03
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第一章 空间向量与立体几何
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大小
方向
大小
模
有向线段
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相等
相反
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相同
相等
互相平行或重合
共线向量
平行向量
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第一章 空间向量与立体几何
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a+(b+c)
(λμ)a
λa+μa
λa+λb
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同一个平面
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a=λb
不共线
xa+yb
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第一章 空间向量与立体几何
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第一章 空间向量与立体几何
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学业标准
素养目标
1.理解空间向量的概念.(难点)
2.掌握空间向量的线性运算.(重点)
3.掌握空间向量共线和共面的充要条件及应用.(重点、难点)
在空间向量概念的形成和进行线性运算的过程中,经历由具体到抽象、由图形语言到符号语言的表达过程,提升学生的直观想象、数学抽象和数学运算素养.
导学1 空间向量的有关概念
在平面中有哪些特殊的向量?
[提示] 零向量、单位向量、相等向量、相反向量等.
◎结论形成
1.空间向量的有关概念
定义
在空间,把具有________和________的量叫做空间向量
长度(模)
向量的________叫做向量的长度或______
表示法
几何表示法
用____________表示
字母表示法
向量a的起点是A,终点是B,可以记作________,其模记为|a|或|eq \o(AB,\s\up14(→))|
eq \o(AB,\s\up14(→))
2.特殊向量
名称
定义
表示法
零向量
长度为0的向量
0
单位向量
模为1的向量
|a|=1或|eq \o(AB,\s\up14(→))|=1
相反向量
与向量a长度________而方向________的向量叫做a的相反向量
-a
相等向量
方向________且模________的向量
a=b或 eq \o(AB,\s\up14(→))=eq \o(CD,\s\up14(→))
共线向量
(或平行向量)
如果表示空间向量a,b的有向线段所在的直线__________________,则向量a,b叫做____________或____________
a∥b
导学2 空间向量的线性运算
进行平面向量的加法、减法运算需要掌握哪两个法则?
[提示] 平行四边形法则和三角形法则.
在平面向量中,使用三角形法则和平行四边形法则有哪些要求?
[提示] 利用三角形法则进行加法运算时,注意“首尾相连”, 进行减法运算时,注意“共起点”. 平行四边形法则一般用来进行向量的加法运算.
◎结论形成
空间向量的线性运算
加法
a+b= eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \o(AB,\s\up14(→))=______
减法
a-b= eq \o(OA,\s\up14(→))- eq \o(OC,\s\up14(→))=______
数乘
当λ>0时,λa=λ eq \o(OA,\s\up14(→))= eq \o(PQ,\s\up14(→));
当λ<0时,λa=λ eq \o(OA,\s\up14(→))= eq \o(MN,\s\up14(→));
当λ=0时,λa=0
eq \o(OB,\s\up14(→))
eq \o(CA,\s\up14(→))
运算律
(1)交换律:a+b=b+a.
(2)结合律:(a+b)+c=_____________,
λ(μa)=_________.
(3)分配律:(λ+μ)a=__________,
λ(a+b)=_________
导学3 空间向量共线和共面的充要条件
[提示] 对任意两个平面向量a,b(b≠0),a∥b的充要条件是存在实数λ,使a=λb,由于空间向量共线的定义与平面向量相同,因此也适用于空间向量.
空间任意两个向量是共面向量,则空间任意三个向量是否共面?
[提示] 不一定,如图所示,空间中eq \o(AB,\s\up14(→)),eq \o(AC,\s\up14(→)),eq \o(AD,\s\up14(→))这三个向量不共面.
◎结论形成
1.共面向量
平行于______________的向量.
2.空间向量共线和共面的充要条件
共线(平行)向量
共面向量
对于空间任意两个向量a,b(b≠0),a∥b的充要条件是存在实数λ,
使__________
如果两个向量a,b__________,那么向量p与向量a,b共面的充要条件是存在唯一的有序实数对(x,y),
使p=___________
3.直线l的方向向量
在直线l上取非零向量a,把与向量a平行的非零向量称为直线l的方向向量.
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)向量 eq \o(AB,\s\up14(→))的长度与向量 eq \o(BA,\s\up14(→))的长度相等.( )
(2)若表示两个相等空间向量的有向线段的起点相同,则终点也相同.( )
(3)零向量没有方向.( )
(4)空间两个向量的加减法运算与平面内两向量的加减法运算完全一致.( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)√
2.在平行六面体ABCD A1B1C1D1中,与向量 eq \o(AD,\s\up14(→))相等的向量共有( )
A.1个
B.2个
C.3个
D.4个
解析 与 eq \o(AD,\s\up14(→))相等的向量有 eq \o(A1D1,\s\up14(→)), eq \o(BC,\s\up14(→)), eq \o(B1C1,\s\up14(→)),共3个.
答案 C
3.化简 eq \o(PM,\s\up14(→))- eq \o(PN,\s\up14(→))+ eq \o(MN,\s\up14(→))所得的结果是( )
A. eq \o(PM,\s\up14(→))
B. eq \o(NP,\s\up14(→))
C.0
D. eq \o(MN,\s\up14(→))
答案 C
4.对于空间的任意三个向量a,b,2a-b,它们一定是( )
A.共面向量
B.共线向量
C.不共面向量
D.既不共线也不共面的向量
解析 由向量共面定理可知,三个向量a,b,2a-b为共面向量.
答案 A
题型一 空间向量的概念
A.若|a|=|b|,则向量a,b的长度相同,方向相同或相反
B.若向量a是向量b的相反向量,则|a|=|b|
C.空间向量的减法满足结合律
D.在四边形ABCD中,一定有 eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(AD,\s\up14(→))= eq \o(AC,\s\up14(→))
[解析] |a|=|b|,说明向量a与b的模相等,但方向不确定;对于a的相反向量b=-a,故|a|=|b|,从而B正确;只定义加法具有结合律,减法不具有结合律;一般的四边形不具有 eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(AD,\s\up14(→))= eq \o(AC,\s\up14(→)),只有在平行四边形中才能成立.故选B.
[答案] B
在空间中,向量、向量的模、相等向量的概念和平面中向量的相关概念完全一致,两个向量相等的充要条件是两个向量的方向相同、模相等.两个向量互为相反向量的充要条件是模相等、方向相反.
[触类旁通]
1.(多选)下列说法错误的是( )
A.零向量没有方向
B.若两个空间向量相等,则它们的起点相同,终点也相同
C.若空间向量m,n,p满足m=n,n=p,则m=p
D.空间中任意两个单位向量必相等
解析 零向量的方向是任意的,并不是没有方向,故A错误.当两个空间向量的起点相同,终点也相同时,这两个向量必相等.但两个向量相等,起点和终点不一定相同,故B错误.选项C显然正确.
对于D,空间中任意两个单位向量的模均为1,但方向不一定相同,故不一定相等,故D错误.
答案 ABD
题型二 空间向量的线性运算 一题多变
eq \o(A1F1,\s\up14(→)) INCLUDEPICTURE "例2.tif"
(教材P3探究·提升)在正六棱柱ABCDEF A1B1C1D1E1F1中,化简- eq \o(EF,\s\up14(→))+ eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(CC1,\s\up14(→))+ eq \o(DF,\s\up14(→)),并在图中标出化简结果.
[解析] 在正六棱柱ABCDEFA1B1C1D1E1F1中,四边形AA1F1F是平行四边形,所以 eq \o(A1F1,\s\up14(→))= eq \o(AF,\s\up14(→)).
同理 eq \o(AB,\s\up14(→))= eq \o(ED,\s\up14(→)), eq \o(CC1,\s\up14(→))= eq \o(DD1,\s\up14(→)), eq \o(DF,\s\up14(→))= eq \o(D1F1,\s\up14(→)),
所以 eq \o(A1F1,\s\up14(→))- eq \o(EF,\s\up14(→))+ eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(CC1,\s\up14(→))+ eq \o(DF,\s\up14(→))
= eq \o(AF,\s\up14(→))+ eq \o(FE,\s\up14(→))+ eq \o(ED,\s\up14(→))+ eq \o(DD1,\s\up14(→))+ eq \o(D1F1,\s\up14(→))= eq \o(AF1,\s\up14(→)),
如图.
[母题变式]
1.(变结论)若例2条件不变,化简 eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(CC1,\s\up14(→))+ eq \o(DE,\s\up14(→))+ eq \o(B1D1,\s\up14(→)),并在图中标出化简结果.
解析 根据正六棱柱的性质知,四边形BB1C1C,DD1E1E都是平行四边形,所以 eq \o(BB1,\s\up14(→))= eq \o(CC1,\s\up14(→)), eq \o(DE,\s\up14(→))= eq \o(D1E1,\s\up14(→)),
所以 eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(CC1,\s\up14(→))+ eq \o(DE,\s\up14(→))+ eq \o(B1D1,\s\up14(→))= eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(BB1,\s\up14(→))+ eq \o(D1E1,\s\up14(→))+ eq \o(B1D1,\s\up14(→))= eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(BB1,\s\up14(→))+ eq \o(B1D1,\s\up14(→))+ eq \o(D1E1,\s\up14(→))= eq \o(AE1,\s\up14(→)).
2.(变结论)若例2条件不变,化简 eq \o(AF1,\s\up14(→))- eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(BC,\s\up14(→)),并在图中标出化简结果.
解析 因为六边形ABCDEF是正六边形,
所以BC∥EF,BC=EF,又E1F1∥EF,E1F1=EF,
所以BC∥E1F1,BC=E1F1,
所以BCE1F1是平行四边形,
所以 eq \o(AF1,\s\up14(→))- eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(BC,\s\up14(→))= eq \o(BF1,\s\up14(→))+ eq \o(BC,\s\up14(→))= eq \o(BE1,\s\up14(→)).
[素养聚焦] 本题通过考查向量的线性运算,提升学生直观想象和数学运算等核心素养.
(1)巧用相反向量:向量加减法的三角形法则是解决空间向量加法、减法运算的关键,灵活应用相反向量可使有关向量首尾相接,从而便于运算.
(2)巧用平移:利用三角形法则和平行四边形法则进行向量的加法、减法运算时,务必要注意和向量、差向量的方向,必要时可采用空间向量的自由平移获得准确的结果.
(3)巧用几何位置关系:对于共线向量,可依据它们的方向、长度关系,借助数乘运算建立联系.
[触类旁通]
2.如图,O为△ABC所在平面外一点,M为BC的中点.若 eq \o(AG,\s\up14(→))=λ eq \o(AM,\s\up14(→))与 eq \o(OG,\s\up14(→))= eq \f(1,2)
eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \f(1,4)
eq \o(OB,\s\up14(→))+ eq \f(1,4)
eq \o(OC,\s\up14(→))同时成立,则实数λ的值为________.
解析 eq \o(OG,\s\up14(→))= eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \o(AG,\s\up14(→))= eq \o(OA,\s\up14(→))+λ eq \o(AM,\s\up14(→))= eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \f(λ,2)( eq \o(AB,\s\up14(→))+ eq \o(AC,\s\up14(→)))
= eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \f(λ,2)( eq \o(OB,\s\up14(→))- eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \o(OC,\s\up14(→))- eq \o(OA,\s\up14(→)))
=(1-λ) eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \f(λ,2)
eq \o(OB,\s\up14(→))+ eq \f(λ,2)
eq \o(OC,\s\up14(→)),
所以1-λ= eq \f(1,2), eq \f(λ,2)= eq \f(1,4).解得λ= eq \f(1,2).
答案 eq \f(1,2)
题型三 空间向量的共线问题
eq \o(MN,\s\up14(→)) INCLUDEPICTURE "例3.tif"
如图,在平行六面体ABCD A1B1C1D1中,M是AD1的中点,N是BD的中点,试判断与 eq \o(D1C,\s\up14(→))是否共线.
[解析] 由题意可知四边形ABCD为平行四边形,
连接AC(图略),则N为AC的中点.
所以 eq \o(MN,\s\up14(→))= eq \o(AN,\s\up14(→))- eq \o(AM,\s\up14(→))= eq \f(1,2)
eq \o(AC,\s\up14(→))- eq \f(1,2)
eq \o(AD1,\s\up14(→))= eq \f(1,2)( eq \o(AC,\s\up14(→))- eq \o(AD1,\s\up14(→)))= eq \f(1,2)
eq \o(D1C,\s\up14(→)),
所以 eq \o(MN,\s\up14(→))与 eq \o(D1C,\s\up14(→))共线.
判断两个非零向量共线的方法
判断或证明两向量a,b(b≠0)共线,就是寻找实数λ,使a=λb成立,为此常结合题目图形,运用空间向量的线性运算法则将目标向量化简或用同一组向量表达.
[触类旁通]
3.(1)设e1,e2是空间中两个不共线的向量,已知 eq \o(AB,\s\up14(→))=2e1+ke2, eq \o(CB,\s\up14(→))=e1+3e2, eq \o(CD,\s\up14(→))=2e1-e2,且A,B,D三点共线,则k=________.
解析 由已知可得 eq \o(BD,\s\up14(→))= eq \o(CD,\s\up14(→))- eq \o(CB,\s\up14(→))=(2e1-e2)-(e1+3e2)=e1-4e2,因为A,B,D三点共线,所以 eq \o(AB,\s\up14(→))与 eq \o(BD,\s\up14(→))共线,所以存在λ∈R,使得 eq \o(AB,\s\up14(→))=λ eq \o(BD,\s\up14(→)),即存在λ∈R,使得2e1+ke2=λ(e1-4e2)=λe1-4λe2.因为e1,e2不共线,所以 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(λ=2,,k=-4λ,))解得k=-8.
答案 -8
(2)如图所示,在正方体ABCD A1B1C1D1中,点E在A1D1上,且 eq \o(A1E,\s\up14(→))=2 eq \o(ED1,\s\up14(→)),点F在体对角线A1C上,且 eq \o(A1F,\s\up14(→))= eq \f(2,3)
eq \o(FC,\s\up14(→)).求证:E,F,B三点共线.
证明 连接EF,FB(图略).
∵ eq \o(EF,\s\up14(→))= eq \o(A1F,\s\up14(→))- eq \o(A1E,\s\up14(→))= eq \f(2,5)
eq \o(A1C,\s\up14(→))- eq \f(2,3)
eq \o(A1D1,\s\up14(→))
= eq \f(2,5)( eq \o(A1B1,\s\up14(→))+ eq \o(A1D1,\s\up14(→))+ eq \o(A1A,\s\up14(→)))- eq \f(2,3)
eq \o(A1D1,\s\up14(→))
= eq \f(2,5)
eq \o(A1B1,\s\up14(→))+ eq \f(2,5)
eq \o(A1A,\s\up14(→))- eq \f(4,15)
eq \o(A1D1,\s\up14(→)),
eq \o(FB,\s\up14(→))= eq \o(A1B,\s\up14(→))- eq \o(A1F,\s\up14(→))
= eq \o(A1B1,\s\up14(→))+ eq \o(A1A,\s\up14(→))- eq \f(2,5)( eq \o(A1B1,\s\up14(→))+ eq \o(A1D1,\s\up14(→))+ eq \o(A1A,\s\up14(→)))
= eq \f(3,5)
eq \o(A1B1,\s\up14(→))+ eq \f(3,5)
eq \o(A1A,\s\up14(→))- eq \f(2,5)
eq \o(A1D1,\s\up14(→)),
∴ eq \o(EF,\s\up14(→))= eq \f(2,3)
eq \o(FB,\s\up14(→)),∴ eq \o(EF,\s\up14(→))∥ eq \o(FB,\s\up14(→)).
又EF∩FB=F,∴E,F,B三点共线.
题型四 空间向量的共面问题
eq \o(OM,\s\up14(→)) INCLUDEPICTURE "例4.tif"
已知A,B,C三点不共线,平面ABC外一点O满足= eq \f(1,3)
eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \f(1,3)
eq \o(OB,\s\up14(→))+ eq \f(1,3)
eq \o(OC,\s\up14(→)).
(1)判断 eq \o(MA,\s\up14(→)), eq \o(MB,\s\up14(→)), eq \o(MC,\s\up14(→))三个向量是否共面;
(2)判断点M是否在平面ABC内.
[解析] (1)∵ eq \o(OA,\s\up14(→))+ eq \o(OB,\s\up14(→))+ eq \o(OC,\s\up14(→))=3 eq \o(OM,\s\up14(→)),
∴ eq \o(OA,\s\up14(→))- eq \o(OM,\s\up14(→))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\o(OM,\s\up14(→))-\o(OB,\s\up14(→))))+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\o(OM,\s\up14(→))-\o(OC,\s\up14(→))))= eq \o(BM,\s\up14(→))+ eq \o(CM,\s\up14(→)),
即 eq \o(MA,\s\up14(→))= eq \o(BM,\s\up14(→))+ eq \o(CM,\s\up14(→))=- eq \o(MB,\s\up14(→))- eq \o(MC,\s\up14(→)),
∴向量 eq \o(MA,\s\up14(→)), eq \o(MB,\s\up14(→)), eq \o(MC,\s\up14(→))共面.
(2)由(1)知向量 eq \o(MA,\s\up14(→)), eq \o(MB,\s\up14(→)), eq \o(MC,\s\up14(→))共面,而它们有共同的起点M,且A,B,C三点不共线,∴M,A,B,C共面,即M在平面ABC内.
证明空间向量共面的方法
(1)设法证明其中一个向量可以表示成另两个向量的线性组合,即若p=xa+yb,则向量p,a,b共面.
(2)若存在有序实数组(x,y,z),使得对于空间任意一点O,有 eq \o(OP,\s\up14(→))=x eq \o(OA,\s\up14(→))+y eq \o(OB,\s\up14(→))+z eq \o(OC,\s\up14(→)),且x+y+z=1成立,则P,A,B,C四点共面.
[触类旁通]
4.如图所示,已知矩形ABCD和矩形ADEF所在的平面互相垂直,点M,N分别在对角线BD,AE上,且BM= eq \f(1,3)BD,AN= eq \f(1,3)AE.求证:向量 eq \o(MN,\s\up14(→)), eq \o(CD,\s\up14(→)), eq \o(DE,\s\up14(→))共面.
证明 因为M在BD上,且BM= eq \f(1,3)BD,
所以 eq \o(MB,\s\up14(→))= eq \f(1,3)
eq \o(DB,\s\up14(→))= eq \f(1,3)
eq \o(DA,\s\up14(→))+ eq \f(1,3)
eq \o(AB,\s\up14(→)).
同理 eq \o(AN,\s\up14(→))= eq \f(1,3)
eq \o(AD,\s\up14(→))+ eq \f(1,3)
eq \o(DE,\s\up14(→)).
所以 eq \o(MN,\s\up14(→))= eq \o(MB,\s\up14(→))+ eq \o(BA,\s\up14(→))+ eq \o(AN,\s\up14(→))= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)\o(DA,\s\up14(→))+\f(1,3)\o(AB,\s\up14(→))))+ eq \o(BA,\s\up14(→))+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)\o(AD,\s\up14(→))+\f(1,3)\o(DE,\s\up14(→))))
= eq \f(2,3)
eq \o(BA,\s\up14(→))+ eq \f(1,3)
eq \o(DE,\s\up14(→))= eq \f(2,3)
eq \o(CD,\s\up14(→))+ eq \f(1,3)
eq \o(DE,\s\up14(→)).
又 eq \o(CD,\s\up14(→))与 eq \o(DE,\s\up14(→))不共线,根据向量共面的充要条件可知 eq \o(MN,\s\up14(→)), eq \o(CD,\s\up14(→)), eq \o(DE,\s\up14(→))共面.
知识落实
技法强化
空间向量的有关概念、空间向量的线性运算、空间向量的共线与共面问题.
(1)空间向量的运算法则满足三角形法则与平行四边形法则,应用向量共线的充要条件可解决三点共线问题,利用向量共面的充要条件可证明四点共面、线面平行等.
(2)应抓住向量的“大小”和“方向”两个要素,并注意它是一个“量”,而不是一个数.
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