第1章 1.4.1 第1课时 空间中点、直线和平面的向量表示-【金版新学案】2026-2027学年高中数学选择性必修第一册同步课堂高效讲义教师用书Word(人教A版)
2026-09-09
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教辅
摘要:
本讲义聚焦空间中点、直线和平面的向量表示这一核心知识点,基于平面向量学习基础,通过类比构建空间向量与几何元素的联系,具体包括点的位置向量、直线的方向向量(向量表示式)、平面的向量表示及法向量,为解决立体几何问题提供基础支架。
该资料以问题导思引导学生抽象出数学对象,如通过探究问题建立点与直线的向量表示,培养数学抽象;结合正方体、四棱锥等模型,通过典例和分层练习提升数学运算,如求方向向量、法向量的例题与对点练;课中辅助教师引导概念形成,课后通过随堂评价和分层练习帮助学生巩固,查漏补缺。
内容正文:
单元学习四 空间向量的应用
[单元整体设计] 通过前面3个单元的学习,我们类比了平面向量,得到空间向量的知识,对空间向量有了基本认识.本单元进一步利用空间向量来解决立体几何问题,包括用空间向量描述空间直线、平面间的平行、垂直关系,证明直线、平面位置关系的判定定理,用空间向量解决空间距离、夹角问题等,向量方法是这单元的重点.学习计划6课时.
本单元内容重点是空间图形基本要素及其关系的向量表示,用向量方法解决空间图形的位置关系和距离、夹角等度量问题.难点是建立空间图形基本要素与向量之间的关系,把立体几何问题转化为空间向量问题.在研究的过程中,发展数学抽象、逻辑推理、数学运算的核心素养.
1.4.1 用空间向量研究直线、平面的位置关系
第1课时 空间中点、直线和平面的向量表示
学习目标
1.能用向量语言描述直线和平面,理解直线的方向向量与平面的法向量,培养数学抽象、直观想象的核心素养.
2.会求直线的方向向量与平面的法向量,提升数学运算的核心素养.
任务一 空间中点、直线的向量表示
(阅读教材P26-27,完成探究问题1、2)
问题1.在空间中,如何用向量表示空间中的一个点?
提示:在空间中,我们取一定点O作为基点,那么空间中任意一点P就可以用向量来表示,我们把向量称为点P的位置向量.
问题2.空间中给定一个点A和一个方向就能唯一确定一条直线l.如何用向量表示直线l?
提示:如图①,a是直线l的方向向量,在直线l上取=a,设P是直线l上的任意一点,由向量共线的条件可知,点P在直线l上的充要条件是存在实数t,使得=ta,即=t.如图②,取定空间中的任意一点O,可以得到点P在直线l上的充要条件是存在实数t,使=+ta①,将=a代入①式,得=+t②.①式和②式都称为空间直线的向量表示式.由此可知,空间任意直线由直线上一点及直线的方向向量唯一确定.
1. 点的位置向量
在空间中,我们取一定点O作为基点,那么空间中任意一点P就可以用向量来表示.我们把向量称为点P的位置向量.
2. 空间直线的向量表示
(1)设a是直线l的方向向量,在直线l上取=a,取定空间中的任意一点O,可以得到点P在直线l上的充要条件是存在实数t,使+ta①,
将=a代入①式,得+t②,
①式和②式都称为空间直线的向量表示式.
(2)性质:空间任意直线由直线上一点及直线的方向向量唯一确定.
[微思考] 直线l的方向向量唯一吗?
提示: 不唯一,空间中,一个向量成为直线l的方向向量,必须具备以下两个条件:①是非零向量;②向量所在的直线与l平行或重合.
(1)(双空题、开放题)在如图所示的空间直角坐标系中,ABCD-A1B1C1D1为正方体,棱长为1,则直线DD1的一个方向向量为 ,直线BC1的一个方向向量为 .
学生用书⬇第25页
(2)已知直线l的一个方向向量m=(2,-1,3),且直线l过A(0,y,3)和B(-1,2,z)两点,则y-z等于( )
A.0 B.1
C. D.3
答案:(1)(0,0,1) (0,1,1)(答案不唯一) (2)A
解析:(1)因为DD1∥AA1,=(0,0,1),故直线DD1的一个方向向量为(0,0,1);因为BC1∥AD1,=(0,1,1),故直线BC1的一个方向向量为(0,1,1).(答案不唯一)
(2)因为A(0,y,3),B(-1,2,z),所以=(-1,2-y,z-3),因为直线l的一个方向向量为m=(2,-1,3),故设=km.
所以所以y-z=0.故选A.
理解直线方向向量的概念
1.直线上任意两个不同的点都可构成直线的方向向量.
2.直线的方向向量不唯一.
对点练1.(多选)如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1,则( )
A.直线DD1的一个方向向量为(0,0,1)
B.直线AB的一个方向向量为(0,0,1)
C.直线BC1的一个方向向量为(0,1,1)
D.直线B1D的一个方向向量为(1,1,1)
答案:AC
解析:因为AA1∥DD1,且=(0,0,1),故A正确;因为=(1,0,0),所以直线AB的一个方向向量为(1,0,0),又向量(0,0,1)垂直于向量(1,0,0),故B不正确;连接AD1,因为AD1∥BC1,=(0,1,1),故C正确;因为=(-1,1,-1),所以直线B1D的一个方向向量为(-1,1,-1),又(-1,1,-1)与(1,1,1)不共线,故D不正确.故选AC.
对点练2.如图,在四棱锥P-ABCD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:
(1)E的坐标;
(2)直线CE的一个方向向量.
解:由题知,AB,AD,AP两两垂直,如图所示,以A为原点,AB,AD,AP所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立空间直角坐标系Axyz,则P(0,0,1),D(0,,0),
(1)因为E为PD的中点,所以E的坐标为(0,).
(2)=(-1,-,)即为直线CE的一个方向向量.
任务二 空间中平面的向量表示
(阅读教材P27-28,完成探究问题3、4)
问题3.过同一点的两个定方向可以确定一个平面吗?
提示:不一定,若两个定方向共线,则不能确定平面;若两个定方向不共线,则能确定平面.
问题4.一定点和一个定方向可以确定一个平面吗?
提示:可以确定,过定点且垂直于定方向的平面是唯一确定的.
1.空间平面的向量表示
(1)取定空间任意一点O,可以得到,空间一点P位于平面ABC内的充要条件是存在实数x,y,使+x+y.
我们把上式称为空间平面ABC的向量表示式.
(2)性质:空间中任意平面由空间一点及两个不共线向量唯一确定.
2.平面的法向量
如图,直线l⊥α,取直线l的方向向量a,我们称向量a为平面α的法向量.给定一个点A和一个向量a,那么过点A,且以向量a为法向量的平面完全确定,可以表示为集合{P|a·=0}.
[微思考] 过空间一点作平面的法向量,法向量唯一吗?
提示: 过空间一点作平面的垂线有且只有一条,但法向量有无限多个,它们是共线向量.
(1)若n=(2,-3,1)是平面α的一个法向量,则下列向量中能作为平面α的法向量的是( )
A.(0,-3,1) B.(2,0,1)
C.(-2,-3,1) D.(-2,3,-1)
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(2)已知n=是平面α的一个法向量,点A,B在平面α内,则k= .
答案:(1)D (2)9
解析:(1)求与n共线的一个向量.易知(2,-3,1)=-(-2,3,-1).故选D.
(2)由A,B,得=(k,2k+3,3),因为n=是平面α的一个法向量,点A,B在平面α内,所以n⊥,所以n·=(-3,1,2)·=-3k+2k+3+6=0,解得k=9.
1.如果n为平面α的一个法向量,A为平面α的一个已知的点,则对于平面α上任意一点B,向量一定与向量n垂直,即·n=0.从而可知平面α的位置可由n和A唯一确定.
2.一个平面的法向量不是唯一的,一个平面的所有法向量共线.在应用时,可以根据需要进行选取.
对点练3.(1)(多选)在如图所示的空间直角坐标系中,ABCD-A1B1C1D1是棱长为1的正方体,下列结论正确的是( )
A.平面CDD1C1的一个法向量为(0,1,0)
B.平面A1BC的一个法向量为(1,1,1)
C.平面B1CD1的一个法向量为(1,1,1)
D.平面ABC1D1的一个法向量为(0,1,1)
(2)已知平面α经过点O(0,0,0),且e=(1,2,-3)是α的一个法向量,M(x,y,z)是平面α内任意一点,则x,y,z满足的关系式是 .
答案:(1)AC (2)x+2y-3z=0
解析:(1)对于A,由AD⊥平面CDD1C1,知=(0,1,0)是平面CDD1C1的一个法向量,故A正确;对于B,由AB1⊥平面A1BC知AB1=(1,0,1)是平面A1BC的一个法向量,故B错误;对于C,由AC1⊥平面B1CD1知AC1=(1,1,1)是平面B1CD1的一个法向量,故C正确;对于D,由DA1⊥平面ABC1D1知DA1=(0,-1,1)是平面ABC1D1的一个法向量,故D错误.故选AC.
(2)由题意得e⊥,则·e=(x,y,z)·(1,2,-3)=0,故x+2y-3z=0.
任务三 求平面的法向量
(链教材P28例1)(一题多问)如图,已知四边形ABCD是直角梯形,AD∥BC,∠ABC=90°,SA⊥平面ABCD,SA=AB=BC=1,AD=,试建立适当的坐标系,求:
(1)平面ABCD的一个法向量;
(2)平面SAB的一个法向量;
(3)平面SCD的一个法向量.
解:以点A为原点,AD,AB,AS所在的直线分别为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系.
则A(0,0,0),B(0,1,0),C(1,1,0),D,S(0,0,1).
(1)因为SA⊥平面ABCD,
所以=(0,0,1)是平面ABCD的一个法向量.
(2)因为AD⊥AB,AD⊥SA,AB⋂SA=A,AB,SA⊂平面SAB,
所以AD⊥平面SAB,
所以=是平面SAB的一个法向量.
(3)在平面SCD中,=,=(1,1,-1).
设平面SCD的法向量为n=(x,y,z),
则n⊥,n⊥,
所以
所以取y=-1,得x=2,z=1,所以n=(2,-1,1).
所以n=(2,-1,1)是平面SCD的一个法向量.
利用待定系数法求平面法向量的步骤
第一步(设向量):设平面的法向量为n=(x,y,z);
第二步(选向量):在平面内选取两个不共线向量;
第三步(列方程组):由列出方程组;
第四步(解方程组);
第五步(赋非零值):取其中一个为非零值(常取±1);
第六步(得结论):得到平面的一个法向量.
对点练4.如图,在四棱锥P-ABCD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:
(1)平面ACE的一个法向量;
(2)直线PC的一个方向向量和平面PCD的一个法向量.
解:(1)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,AB,AD,AP所在直线分别为x轴、y轴、z轴建立空间直角坐标系Axyz,则A(0,0,0),D(0,,0),E,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
所以令y=-1,则x=z=.
所以平面ACE的一个法向量为n=(,-1,).
(2)如图,P(0,0,1),C(1,,0),
所以=(1,,-1)即为直线PC的一个方向向量.
设平面PCD的法向量为m=(x1,y1,z1),
因为D(0,,0),所以=(0,,-1),
则
所以令y1=1,则z1=.
所以平面PCD的一个法向量为m=(0,1,).
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[教材拓展2] 直线的点向式方程与平面的点法式方程(源于教材P44 17题)
结论:
在空间直角坐标系中,已知向量u=(a,b,c)(abc≠0),点P0(x0,y0,z0),点P(x,y,z).
(1)若直线l经过点P0,且以u为方向向量,P是直线l上的任意一点,则直线的点向式方程为==;
(2)若平面α经过点P0,且以u为法向量,P是平面α内的任意一点,则平面的点法式方程为a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)=0.
人教A版选择性必修第一册教材44页“拓广探索”17题中有这样的表述:在空间直角坐标系中,若平面α经过点P0(x0,y0,z0),且以u=(a,b,c)(abc≠0)为法向量,设P(x,y,z)是平面α内的任意一点,由u·=0,可得a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)=0,此即平面的点法式方程.利用教材给出的材料,解决下面的问题:已知平面α的方程为2x+2y+z-7=0,直线l的方向向量为(1,2,-2),则直线l与平面α所成角的正弦值为( )
A. B.
C. D.
答案:B
解析:因为平面α的方程为2x+2y+z-7=0,所以平面α的一个法向量为m=(2,2,1),直线l的方向向量为n=(1,2,-2),设直线l与平面α所成角为θ,则sin θ=|cos〈m,n〉|===.故选B.
任务再现
1.空间点、直线、平面的向量表示.2.直线的方向向量.3.平面的法向量
方法提炼
待定系数法、坐标法、赋值法、转化化归
易错警示
不理解直线的方向向量与平面的法向量的不唯一性
1.若A(0,2,1),B(3,2,-1)在直线l上,则直线l的一个方向向量为( )
A.(-3,0,-6) B.(9,0,-6)
C.(-2,0,2) D.(-2,1,3)
答案:B
解析:=(3,0,-2)=(9,0,-6).故选B.
2.过空间三点A(1,1,0),B(1,0,1),C(0,1,1)的平面的一个法向量是( )
A.(1,1,1) B.(1,1,-1)
C.(1,0,1) D.(-1,0,1)
答案:A
解析:=(0,-1,1),=(-1,0,1).设该平面的法向量为n=(x,y,z),由题意知取z=1,得平面的一个法向量是(1,1,1).故选A.
3.已知向量a=,b=都是直线l的方向向量,则x的值是( )
A.-1 B.1或-1
C.-3 D.1
答案:A
解析:由题意可得a∥b,所以b=λa,则=λ=,所以解得x=-1.故选A.
4.已知直线l的一个方向向量为a=(2,1,1),且过点M(1,0,-1).若平面α过直线l与点N(1,2,3),则平面α的一个法向量是 .
答案:(1,-4,2) (答案不唯一)
解析:依题意,与a不共线,设平面α的一个法向量为n=(x,y,z), 则取z=2,得y=-4,x=1,因此n=(1,-4,2)是平面α的一个法向量.
课时分层评价7 空间中点、直线和平面的向量表示
(时间:60分钟 满分:110分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1—9,每小题5分,共45分)
1.棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1在空间直角坐标系中的位置如图所示,则直线DB1的一个方向向量为( )
A.(1,1,0) B.(1,0,1)
C.(0,0,1) D.(1,1,1)
答案:D
解析:由题意知D(0,0,0),B1(1,1,1),所以=(1,1,1),即直线DB1的一个方向向量是(1,1,1).故选D.
2.在空间直角坐标系中,直线l过点A(1,0,-1)且以μ=(3,2,4)为方向向量,M(x,y,z)为直线l上的任意一点,则点M的坐标满足的关系式是( )
A. B.
C. D.
答案:C
解析:由题意得=(x-1,y,z+1),∥μ,则==.故选C.
3.若n=(2,-3,1)是平面α的一个法向量,则下列向量中能作为平面α的一个法向量的是( )
A.(0,-3,1) B.(2,0,1)
C.(-2,-3,1) D.(-2,3,-1)
答案:D
解析:由题意可得要求平面α的一个法向量,即求与n共线的一个向量,易知(2,-3,1)=-(-2,3,-1).故选D.
4.已知a=(2,0,2),b=(3,0,0)分别是平面α,β的法向量,则平面α,β交线的方向向量可以是( )
A.(1,0,0) B.(0,1,0)
C.(0,0,1) D.(1,1,1)
答案:B
解析:因为四个选项中,只有a·(0,1,0)=(2,0,2)·(0,1,0)=0,b·(0,1,0)=(3,0,0)·(0,1,0)=0,所以平面α,β交线的方向向量可以是(0,1,0).故选B.
5.已知平面α的一个法向量n=(1,2,3),P(1,1,1),P∈α,Q∈α,则点Q的坐标可以是( )
A.(-1,-1,-1) B.(4,2,-1)
C.(3,2,1) D.(2,2,0)
答案:D
解析:设点Q(x,y,z),因为P(1,1,1),所以·n=(x-1)×1+(y-1)×2+(z-1)×3=0得x+2y+3z=6,依次验证选项,只有选项D满足.故选D.
6.(多选)如图,四棱柱ABCD-A1B1C1D1为正方体,则下列结论正确的是( )
A.直线C1C的一个方向向量为(0,0,1)
B.直线CD1的一个方向向量为(-1,0,1)
C.平面ABB1A1的一个法向量为(0,1,0)
D.平面B1CD的一个法向量为(1,1,1)
答案:ABC
解析:设正方体的棱长为1,因为AA1∥CC1,且=(0,0,1),故A正确;因为BA1∥CD1,=(-1,0,1),故B正确;因为AD⊥平面ABB1A1,=(0,1,0),故C正确;因为=(1,1,1),但AC1与平面B1CD不垂直,故D错误.故选ABC.
7.(开放题)已知A(1,2,3),B(-2,2,1)在直线l上,写出直线l的一个方向向量n=
(坐标表示).
答案:(-3,0,-2)(答案不唯一)
解析:由题意知,在直线l上,A(1,2,3),B(-2,2,1),所以直线l的一个方向向量n==(-3,0,-2).
8.(双空题)如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,分别以长方体的两个顶点为始点和终点的向量中:
(1)直线AB的方向向量有 个;
(2)平面AA1B1B的法向量有 个.
答案:(1)8 (2)8
解析:(1)直线AB的方向向量有:,,,,,,,,共8个.
(2)平面AA1B1B的法向量有:,,,,,,,,共8个.
9.若A,B,C是平面α内三点,设平面α的法向量为n=(x,y,z),则x∶y∶z= .
答案:2∶3∶(-4)
解析:由已知得,=,=.因为n是平面α的法向量,所以n·=0,n·=0,即所以x∶y∶z=y∶y∶=2∶3∶(-4).
10.(13分)如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,AD=6,AA1=3,建立适当的空间直角坐标系,求下列平面的一个法向量:
(1)平面ABCD;
(2)平面ACC1A1.
解:(1)以D为原点,DA,DC,DD1所在的直线分别为x轴,y轴,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
则D(0,0,0),A(6,0,0),C(0,2,0),D1(0,0,3),A1(6,0,3),
所以=(0,0,3).
因为DD1⊥平面ABCD,
所以为平面ABCD的一个法向量,
所以平面ABCD的一个法向量为=(0,0,3)(答案不唯一).
(2)设平面ACC1A1的法向量为n=(x,y,z),
因为=(-6,2,0),=(0,0,3),
所以取x=1,则n=(1,3,0),
所以平面ACC1A1的一个法向量为n=(1,3,0)(答案不唯一).
(11—13,每小题5分,共15分)
11.《九章算术》中,将四个面都为直角三角形的四面体称为鳖臑.在鳖臑A-BCD中,AB⊥平面BCD,∠BDC=90°,BD=AB=CD.若建立如图所示的空间直角坐标系,则平面ACD的一个法向量为( )
A.(0,1,0) B.(0,1,1)
C.(1,1,1) D.(1,1,0)
答案:B
解析:根据题意,设BD=AB=CD=1,则D(0,1,0),C(1,1,0),A(0,0,1),则=(1,0,0),=(0,1,-1).设平面ACD的法向量为n=(x,y,z),则有取y=1,可得z=1,则n=(0,1,1).经验证,其他选项均不符合题意.故选B.
12.(多选)已知空间中三点A,B,C(-1,3,1),则下列结论正确的是( )
A.与是共线向量
B.与同向的单位向量是
C.与夹角的余弦值是
D.平面ABC的一个法向量是
答案:BD
解析:对于A,=,=,因为≠,所以不是共线向量,故A错误;对于B,=,则与==,故B正确;对于C,=,=,所以cos〈,〉===-,故C错误;对于D,=,=,设平面ABC的法向量为n=,则取x=1,则得n=,故D正确.故选BD.
13.(双空题)已知空间直角坐标系Oxyz中的点A(1,1,1),平面α过点A并且与直线OA垂直,动点P(x,y,z)是平面α内的任一点,则直线OA的一个方向向量为 ,点P的坐标满足的条件为 .
答案:(1,1,1)(答案不唯一) x+y+z=3
解析:由题意知,OA⊥α,直线OA的一个方向向量为,所以(1,1,1)·(x-1,y-1,z-1)=0,所以x+y+z=3.
14.(15分)如图,在四棱锥P-ABCD中,平面PAB⊥平面ABCD,△PAB是边长为1的正三角形,ABCD是菱形,∠ABC=60°,E是PC的中点,F是AB的中点,试建立恰当的空间直角坐标系,求平面DEF的一个法向量.
解:如图所示,连接PF,CF,AC.
因为PA=PB,F为AB的中点,
所以PF⊥AB.
又因为平面PAB⊥平面ABCD,
平面PAB⋂平面ABCD=AB,PF⊂平面PAB,
所以PF⊥平面ABCD.
因为AB=BC,∠ABC=60°,
所以△ABC是等边三角形,
所以CF⊥AB.
所以以F为坐标原点,BF,CF,PF所在直线分别为x轴,y轴,z轴,建立空间直角坐标系(如图所示).
由题意得F(0,0,0),P,D,
C,E.
所以=,=.
设平面DEF的一个法向量为n=(x,y,z),
则
所以取y=2,则x=,z=-2.
所以平面DEF的一个法向量为n=(,2,-2)(答案不唯一).
15.(5分)(多选)已知平面α内两向量a=(1,1,1),b=(0,2,-1),且c=ma+nb+(4,-4,1),若c为平面α的一个法向量,则下列结论正确的是( )
A.m=-1 B.m=1
C.n=2 D.n=-2
答案:AC
解析:c=ma+nb+(4,-4,1)=(m,m,m)+(0,2n,-n)+(4,-4,1)=(m+4,m+2n-4,m-n+1).由c为平面α的一个法向量,得
解得故选AC.
16.(17分)(新定义)17世纪,笛卡儿在《几何学》中,通过建立坐标系,引入点的坐标的概念,将代数对象与几何对象建立关系,从而实现了代数问题与几何问题的转化,打开了数学发展的新局面,创立了新分支——解析几何.我们知道,方程x=1在一维空间中表示一个点;在二维空间中,它表示一条直线;在三维空间中,它表示一个平面.已知A(1,2,3),B(1,-1,-2),C(-1,0,0).
(1)写出直线BC的一个方向向量;
(2)设平面α经过点A,且是平面α的一个法向量,M(x,y,z)是平面α内任意一点,试写出x,y,z的关系.
解:(1)因为B(1,-1,-2),C(-1,0,0),
所以直线BC的一个方向向量为=(-2,1,2).
(2)因为平面α经过A(1,2,3)且M(x,y,z)是平面α内的任意一点,
则有=(x-1,y-2,z-3).
又因为是平面α的一个法向量,
所以=0,
即(-2,1,2)·(x-1,y-2,z-3)=0,
所以-2(x-1)+(y-2)+2(z-3)=0,
整理得2x-y-2z+6=0,
所以x,y,z的关系为2x-y-2z+6=0.
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