内容正文:
1.2 空间向量在立体几何中的应用
1
1.2.1 空间中的点、直线与空间向量
2
探究点一 确定空间中点的位置
探究点二 直线的方向向量
探究点三 用直线的方向向量处理线线平行、垂直问题
探究点四 利用向量法求空间中两条直线所成的角
◆
◆
◆
◆
课前预习
课中探究
课堂评价
课后习题
3
【学习目标】
1.了解空间中的点与空间向量的关系,理解直线的方向向量;
2.掌握利用空间向量证明两条直线平行或垂直的方法;
3.掌握利用空间向量求空间中两条直线所成的角的方法;
4.了解公垂线段的概念并会求其长度.
4
知识点一 用向量表示点的位置
一般地,如果在空间中指定一点,那么空间中任意一点 的位置,
都可以由向量____唯一确定,此时,通常称为点 的__________.
位置向量
课 前 预 习
5
知识点二 直线的方向向量
一般地,如果是空间中的一条直线, 是空间中的一个非零向量,
且表示的有向线段所在的直线与平行或重合,则称为直线 的一
个方向向量.此时,也称向量与直线平行,记作 .
(1)如果,是直线上两个不同的点,则就是直线 的一个
方向向量;
(2)如果是直线的一个方向向量,则对任意的实数 ,空间
向量也是直线的一个方向向量,而且直线 的任意两个方向向量
都平行;
课 前 预 习
6
(3)空间中直线的位置可由直线的一个方向向量和 上的一个已
知点唯一确定;
(4)如果,分别是直线, 的一个方向向量,则
或与 重合.
课 前 预 习
7
【诊断分析】
判断正误.(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)直线 的方向向量是唯一的.( )
×
(2)若两条直线平行,则它们的方向向量的方向相同或相反.( )
√
(3)若向量是直线的一个方向向量,则向量也是直线 的一个
方向向量.( )
×
课 前 预 习
8
知识点三 空间中两条直线所成的角
(1)设,分别是空间中直线,的方向向量,且与 所成角
的大小为 ,则________(如图①所示)或 ___________
(如图②所示),所以__________, ____________.
①
②
(2), _______ ___.
0
课 前 预 习
9
【诊断分析】
判断正误.(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)两条异面直线所成的角与两直线方向向量所成的角相等或互补.
( )
√
(2)若两直线的方向向量分别为,,两直线所成的角为 ,则
.( )
×
(3)空间中两直线所成的角唯一确定,则两条直线对应的方向向量
所成的角也唯一确定.( )
×
课 前 预 习
10
知识点四 异面直线与空间向量
1.异面直线的判定
设,分别是空间中直线, 的方向向量.
(1)若与异面,则与 是不可能平行的.
(2)若与不平行,则与 的位置关系为____________.
(3)若,,则与异面时,,, ________;若
,,不共面,则与 异面.(如图①②所示)
相交或异面
不共面
课 前 预 习
11
2.异面直线间的距离
一般地,如果与是空间中两条异面直线,, ,
_________,_________,则称为与 的公垂线段.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
课 前 预 习
12
【诊断分析】
判断正误.(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)不相交的直线就是异面直线.( )
×
(2)任意两条异面直线的公垂线段都只有一个.( )
√
(3)设,分别是空间中直线,的方向向量,若, 不平行,
则两条直线是异面直线.( )
×
课 前 预 习
13
探究点一 确定空间中点的位置
例1 [2024·广西南宁东盟中学高二月考]已知是坐标原点, ,
,三点的坐标分别为,, .
(1)若,求点 的坐标;
解:, ,则
,所以点的坐标为 .
课 中 探 究
14
(2)若是线段上的一点,且,求点 的坐标.
解:设点的坐标为,则 ,
,因为是线段上的一点,且 ,
所以,
即 解得故点的坐标为 .
例1 [2024·广西南宁东盟中学高二月考]已知是坐标原点, ,
,三点的坐标分别为,, .
课 中 探 究
15
变式(1)已知点,,为线段 上一点,且
,则点 的坐标为( )
A. B. C. D.
[解析] 设,则 ,
由题知
为线段上一点,且, ,
即,解得, , .
故选C.
√
课 中 探 究
16
(2)已知点是过点且方向向量为 的直线上的一
点,若,则点 的坐标是_________.
[解析] 设,则.
因为 ,所以,即解得
即 ,则,解得,
所以点 的坐标是 .
课 中 探 究
17
[素养小结]
解决空间中点的位置问题常转化为向量共线、向量相等问题来解决,
设出要求点的坐标,利用已知条件得关于要求点坐标的方程或方程组,
求解即可.
课 中 探 究
18
探究点二 直线的方向向量
例2 (多选题)已知一条直线经过, 两点,下列
向量中可以是该直线的方向向量的为( )
A. B.
C. D.
[解析] 由题知,,则与向量 共线的非零向量均为
该直线的方向向量
选项中的向量与 不共线,所以不是直线的方向向量,
B,C,D中的向量与共线,所以是直线 的方向向量.故选 .
√
√
√
课 中 探 究
19
变式(1)已知直线的一个方向向量为,且直线 经过点
和点,则___, ___.
-3
3
[解析] 因为,所以 ,解得
, .
课 中 探 究
20
(2)已知点,在直线上,写出直线 的一个方向
向量 ______________________.
(答案不唯一)
[解析] 因为点,在直线上,所以 ,
,且都是直线的方向向量.故直线 的一个方向向量
可以为 .
课 中 探 究
21
[素养小结]
对直线方向向量的两点说明:
(1)方向向量的选取:在直线上任取两点<m></m>,<m></m>,可得到直线的一
个方向向量<m></m>.
(2)方向向量的不唯一性:直线的方向向量不是唯一的,可以分为
方向相同和相反两类,它们都是共线向量.解题时,可以选取坐标最
简的方向向量.
课 中 探 究
22
探究点三 用直线的方向向量处理线线平行、垂直问题
例3(1)在长方体中,, ,
,,,,分别是,,, 的中点.
求证: .
证明:方法一:以为坐标原点,,,
的方向分别为轴、轴、 轴的正方向,建立如图
所示的空间直角坐标系,则 ,,, ,
所以,,
所以,所以 ,又 直线,所以 .
课 中 探 究
23
方法二:连接, ,
因为 ,
,
所以,所以,
又 直线 ,所以 .
课 中 探 究
24
(2)在正方体中,,分别是, 的中点.
求证:, .
证明: 不妨设正方体 的棱长为1,以为
坐标原点,,,的方向分别为 轴、轴、 轴
的正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,
则,, ,,,,
,, .
,,
, .
课 中 探 究
25
变式 [2025·贵州遵义高二期中] 如图,已知正三棱柱
的各棱长都为1,是的中点,是 上的点,且
.求证: .
课 中 探 究
26
证明:取的中点,取的中点 ,连接,,
易知,,两两垂直,故以 为坐标原点,
建立如图所示的空间直角坐标系,则,
,, ,.
为的中点, , ,
又, ,
, .
课 中 探 究
27
[素养小结]
判定直线平行、垂直的向量法:
设<m></m>,<m></m>分别为<m></m>与<m></m>的一个方向向量.
(1)<m></m>或<m></m>与<m></m>重合.
(2)<m></m>与<m></m>不平行<m></m>与<m></m>不平行.
(3)<m></m>.
(4)<m></m>与<m></m>不垂直<m></m>与<m></m>不垂直.
课 中 探 究
28
探究点四 利用向量法求空间中两条直线所成的角
例4(1)[2026·河南周口高二月考] 如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,
E,F,G分别是BD,A1B1,C1D1的中点,则异面直线AG与EF所成角的余弦值
是( )
A. B. C. D.
√
课 中 探 究
29
[解析]以D为坐标原点,,,的方向分别为x轴、y轴、z轴的正
方向,建立如图所示的空间直角坐标系.
设AB=2,则A(2,0,0),E(1,1,0),F(2,1,2),G(0,1,2),所以=(-2,1,2),=(1,0,2).
设异面直线AG与EF所成的角为θ,
则cos θ=|cos<,>|===.
故选C.
课 中 探 究
30
(2)[2025·吉林长春高二期末]在如图所示的多
面体中, 平面,平面 平面 ,
且, ,则
异面直线与 所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
√
课 中 探 究
31
[解析] 将该多面体补成底面边长为2,高为2的正
三棱柱,取的中点,连接,.以 为坐标
原点,建立如图所示的空间直角坐标系,则
,,, ,
所以,,
所以 , .故选A.
课 中 探 究
32
变式 [2026·北京海淀区高二月考] 中国古代数学著作《九章算术》中
记载了一种被称为“曲池”的几何体.该几何体是上、下底面均为扇环
的柱体.在如图所示的“曲池”中,AA1与扇形A1B1C1D1所在平面垂直,
记弧AB、弧DC的长度分别为l1,l2,已知AA1=3AD=3,l1=2l2=,E为弧A1B1
的中点,则直线CE与DB1所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
√
课 中 探 究
33
解:上底面圆心为O1,下底面圆心为O,连接OO1,O1D1,O1C1,OD,OC,
在下底面作OF⊥OB,以O为坐标原点,分别以,,的方向
为x轴、y轴、z轴正方向,建立空间直角坐标系,如图.
因为AA1=3AD=3,l1=2l2=,所以扇环对应的两个圆的半径之比为1∶2,
AD=1,所以=,所以OD=1,OA=2,
则D,E,
即D,E(1,,3),
课 中 探 究
34
又C(1,0,0),B1(2,0,3),所以=(0,,3),=,
所以||==2,||==4,
·=×0+×+3×3=,
所以cos<,>===,
所以直线CE与DB1所成角的余弦值为.故选B.
课 中 探 究
35
[素养小结]
利用向量法求异面直线所成角的步骤:
(1)确定空间两条直线的方向向量;
(2)求两个向量夹角的余弦值;
(3)确定线线角与向量夹角的关系:当向量夹角为锐角时,即为两
直线的夹角;当向量夹角为钝角时,两直线的夹角为向量夹角的补角.
注意:异面直线所成角的范围是<m></m>,故异面直线所成角的余弦值
一定大于或等于0.
课 中 探 究
36
1.已知点,在直线上,则下列向量中可以是直线 的
方向向量的为( )
A. B. C. D.
[解析] 由题得,则与向量 共线的非零向量均为直
线 的方向向量,只有选项A满足题意,故选A.
√
课 堂 评 价
37
2.(多选题)已知向量,分别是直线, 的一
个方向向量,若 ,则下列四个选项中符合题意的有( )
A., B., C., D.,
[解析] 由题意知,即 ,只有A,C
满足上式.故选 .
√
√
课 堂 评 价
38
3.在四棱锥中, 底面,底面 为正方形,
,,则异面直线与 所成角的余弦值为( )
A. B. C. D.
[解析] 以为原点,,,的方向分别为,, 轴的正
方向,建立如图所示的空间直角坐标系,则 ,
,,,
, ,
,,
异面直线与 所成角的余弦值为 .故选D.
√
课 堂 评 价
39
4.[2026·长春东北师大附中高二月考]在正方体
中,下列关系正确的是( )
A. B. C. D.
[解析] 以 为坐标原点,建立如图所示的空间
直角坐标系,设正方体的棱长为1,
则,,, ,
,,, ,
所以, ,,
, , , .
√
课 堂 评 价
40
对于A, ,故A错误;
对于B, ,故B错误;
对于C,
,故C错误;
对于D, ,故D正确.故选D.
课 堂 评 价
5.如图,在四棱锥P-ABCD中,PD⊥平面ABCD,底面ABCD为正方形
且PD=AD,E,F分别是PC,PB的中点,M,N,P,Q分别为AD,AB,BC,DC的中点,
以F为起点作直线DE的一个方向向量可以为 .(用图中字母表示)
课 堂 评 价
42
[解析] 如图,连接MF,EF.∵E,F分别是PC,PB的中点,∴EF∥BC且EF=BC.
又BC∥AD且BC=AD,∴EF∥AD且EF=AD,则EF∥DM且EF=DM,
∴四边形DEFM是平行四边形,∴MF∥DE,
∴就是直线DE的一个方向向量.
课 堂 评 价
43
证明线线平行的方法与步骤:
新 知 拓 延
44
课后习题
45
1.若点,在直线上,则直线 的一个方向向量为
( )
A. B.
C. D.
[解析] ,,
是直线 的一个方向向量.故选A.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
46
2.[2024·广东汕头一中高二月考]已知直线 的一个方向向量为
,直线的一个方向向量为,若 ,则
的值是( )
A. B.6 C.14 D.
[解析] ,,,, ,
.故选A.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
47
3.已知异面直线,的一个方向向量分别是 ,
,则, 所成角的大小是( )
A. B. C. D.
[解析] 异面直线,的一个方向向量分别是 ,
,,,
异面直线,所成角的范围为,,所成角的大小是 .故选C.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
48
4.[2024·河南新乡高二期末]在直三棱柱 中,若
,,则与 所成角的余弦值为
( )
A. B. C. D.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
49
[解析] 如图,以 为坐标原点,建立空间直角坐标系,
设,则,, ,
,所以, ,
则,,
故 与所成角的余弦值为 .故选C.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
5.已知圆台的上底面圆O'的半径为1,下底面圆O的半径为2,点A',A分别
在上、下底面的圆周上,且O'A'⊥OA,OO'=1,则AA'与OO'所成角的余弦
值为 ( )
A. B. C. D.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
51
[解析]设过A'的母线为A'B,连接OB,则OB∥O'A',
因为O'A'⊥OA,所以OB⊥OA.
以O为坐标原点,OA,OB,OO'所在直线分别为x,y,z轴
建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(2,0,0),O(0,0,0),O'(0,0,1),A'(0,1,1),
所以=(0,0,1),=(-2,1,1),
所以|cos<,>|===,
所以AA'与OO'所成角的余弦值为.故选B.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
52
6.[2025·山东烟台一中高二月考]如图所示,
平行六面体 的所有棱长为2,
四边形是正方形, ,
点是与的交点,则直线与 所成
角的余弦值为( )
A.1 B. C. D.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
53
[解析] ,
则 ,
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
54
而,故,
所以 ,,故直线与 所成
角的余弦值为 .故选D.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
7.(多选题)如图,在正方体
中,是体对角线 上的动
点,是棱 上的动点,则下列说法正确的
是( )
A.异面直线与所成的角的最小值为
B.异面直线与所成的角的最大值为
C.对于任意的,存在点使得
D.对于任意的,存在点使得
√
√
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
56
[解析] 以 为坐标原点,建立如图所示的空间直角
坐标系,设正方体的棱长为1,则 ,
,,, ,
所以,, ,
设, ,
设异面直线与 所成的角为,
则 , .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
57
对于A,当时,,则 ,故A正确;
对于B,当时,,则 ,故B正确;
对于C,设, ,则 ,
所以 ,
当时, ,故C错误;
对于D,任意,令,得 ,
即对于任意的,存在点使得 ,故D正确.故选 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
8.已知,,则直线 的模为1的方向向量是
______________________.
或
[解析] 由题知,则,所以直线 的模为1的方
向向量为,即或 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
59
9.圆锥的底面半径为,高为2,点C是底面直径AB所对弧的中点,点D是
母线PB的中点,则异面直线AB与CD所成角的余弦值为 .
[解析]设O是圆锥底面圆心,以O为坐标原点,建立如图
所示的空间直角坐标系,则A(0,-,0),B(0,,0),C(,0,0),
P(0,0,2),D,则=,=(0,2,0),
设直线AB与CD所成的角为θ,
则cos θ===.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
60
10.(13分)[2026·江西萍乡高二期末] 如图,在四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,
底面ABCD为平行四边形,以顶点A为端点的三条棱长都为1,且两两夹角
都为60°,设=a,=b,=c,M为A1C1的中点.
(1)用a,b,c表示向量,并求线段AM的长;
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
61
解:由题知,=+=c+=a+b+c.
因为|a|=|b|=|c|=1,<a,b>=<a,c>=<b,c>=60°,
所以==a2+b2+c2+a·b+a·c+b·c=++1+++=,
所以||=,即线段AM的长为.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
62
10.(13分)[2026·江西萍乡高二期末] 如图,在四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,
底面ABCD为平行四边形,以顶点A为端点的三条棱长都为1,且两两夹角
都为60°,设=a,=b,=c,M为A1C1的中点.
(2)求异面直线AM与BD1所成角的余弦值.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
63
解: =+=b-a+c,则=(-a+b+c)2=a2+b2+c2-2a·b-2a·c+2b·c=2,
故||=,又·=·(b-a+c)=,
所以cos<,>==,
故异面直线AM与BD1所成角的余弦值为.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
64
11.如图, 平面,四边形 为正
方形,是的中点,是 上一点,则当
时, ( )
A. B. C. D.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
65
[解析] 以为坐标原点,,, 的方向分
别为轴、轴、 轴的正方向,建立如图所示的
空间直角坐标系,设, ,则
,,.
设点 的坐标为,,则, .
因为,所以,即,解得,即点 的
坐标为,所以为的中点,所以 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
66
★12.(多选题)在三棱锥中,平面 平面 ,
,,为等边三角形,是棱 的中点,
是棱上一点,若异面直线与所成角的余弦值为,则
的值可能为( )
A. B.1 C. D.
√
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
67
[解析] 取的中点,连接,则 ,又平面
平面,且平面 平面 ,
所以 平面,过作与平行,交 于
,则,,两两垂直,故以 为坐标原点,
建立如图所示的空间直角坐标系.
为等边三角形,所以,,
, ,因为是 的中点,所以
.设,其中 ,
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
68
则, ,则
, ,整理得
,解得或 ,
所以或,
故 或.故选 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
[技巧点拨] 本题条件中有面面垂直和线线垂直,故可建立空间直角
坐标系,求解线段长度问题,可以将其转化为求解参数值问题,应用异
面直线所成角公式进行求解即可.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
13.[2025·长春高二期中]“曲池”是《九章算术》中
记载的一种几何体,该几何体是上、下底面均为扇
环形的柱体(扇环是指圆环被扇形截得的部分).
现有一个如图所示的“曲池”, 平面,
,底面扇环所对的圆心角为, 的长度
是长度的2倍,,则异面直线 与
所成角的余弦值为__.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
71
[解析] 设上底面圆心为,下底面圆心为 ,连接
,,,, ,由底面扇环所对的圆心角
为,的长度是长度的2倍, ,可知.
以为原点,以,,的方向分别为
轴、轴、 轴的正方向,建立空间直角坐标系,
则,,, ,
,,所以 ,
,故异面直线 与所成角的余弦值为 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
72
14.(15分)已知斜三棱柱 的各棱
长都为4, ,点在下底面 的投
影为的中点.在棱上是否存在一点 使
?若存在,求出 的长;若不存在,
请说明理由.
解:因为点在下底面的投影为的中点 ,
所以 平面 .
连接,由题意知为正三角形,故 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
73
以为原点,,,的方向分别为,,
轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系,
则,, ,
, ,
所以 ,
,, ,
所以 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
74
设, ,
则 .
假设在棱上存在一点使 ,
则 ,
解得,所以在棱上存在一点 使
,此时 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
15.设正方体的棱长为2, 为空间中一点,若
,则异面直线和 所成角的取值不可能是
( )
A. B. C. D.
√
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
76
[解析] 如图所示,以为原点,,, 的
方向分别为,, 轴正方向,建立空间直角坐标
系,则,, ,
,,
因为 ,,所以 ,
,.设直线和 所成的角为,
,则 , .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
77
时,,;
当 时,设,则 ,
故 ,
函数在 上单调递减,
故,则,所以 .
综上所述 .故选A.
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
16.(15分)如图所示,在四棱锥中,底面 是直角梯形,
,,,,且 底面 ,
与底面所成角为 .
(1)若,为垂足,求证: ;
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
79
证明: 底面, 平面 ,
,又,,,
平面, 平面 ,
平面, ,
又,,, 平面 ,
平面 ,
平面, .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
80
(2)求异面直线与 所成角的余弦值.
16.(15分)如图所示,在四棱锥中,底面 是直角梯形,
,,,,且 底面 ,
与底面所成角为 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
81
解:如图,过点作,垂足为点.以
为原点,,,的方向分别为轴、轴、
轴的正方向,建立空间直角坐标系,则
,, .
底面 ,
是与底面所成的角, .
在中,由,得 ,
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
82
在中,由, ,
得,, .
于是, ,
则, ,
异面直线与所成角的余弦值为 .
课 后 习 题
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
$