北師大版選修21 用向量討論垂直與平行(一) 學(xué)案.docx

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解直線的方向向量與平面的法向量，并能運(yùn)用它們證明平行問(wèn)題.2.會(huì)用向量語(yǔ)言表述線線、線面、面面的平行關(guān)系.知識(shí)點(diǎn)一直線的方向向量和平面的法向量直線的方向向量能平移到直線上的非零向量，叫做直線的一個(gè)方向向量平面的法向量直線l，取直線l的方向向量n，則向量n叫做平面的法向量知識(shí)點(diǎn)二空間平行關(guān)系的向量表示(1)線線平行設(shè)直線l，m的方向向量分別為a(a1，b1，c1)，b(a2，b2，c2)，則lmababa1a2，b1b2，c1c2(r).(2)線面平行設(shè)直線l的方向向量為a(a1，b1，c1)，平面的法向量為u(a2，b2，c2)，則lauau0a1a2b1b2c1c20.(3)面面平行設(shè)平面，的法向量分別為u(a1，b1，c1)，v(a2，b2，c2)，則uvuva1a2，b1b2，c1c2(r).題型一利用方向向量和法向量判定線面、面面的位置關(guān)系例1根據(jù)下列條件，判斷相應(yīng)的線、面位置關(guān)系：(1)直線l1與l2的方向向量分別是a(2,3，1)，b(6，9,3)；(2)直線l1與l2的方向向量分別是a(2,1,4)，b(6,3,3)；(3)平面與的法向量分別是u(1，1,2)，v；(4)平面與的法向量分別是u(2，3,4)，v(4，2,1)；(5)直線l的方向向量，平面的法向量分別是a(0，8，12)，u(0,2，3).解(1)a(2,3，1)，b(6，9,3)，ab，ab，即l1l2.(2)a(2,1,4)，b(6,3,3)，ab0且akb(kr)，a，b既不共線也不垂直，即l1與l2相交或異面.(3)u(1，1,2)，v，uv3210，uv，即.(4)u(2，3,4)，v(4，2,1)，uv0且ukv(kr)，u與v既不共線也不垂直，即和相交但不垂直.(5)a(0，8,12)，u(0,2，3)，ua，ua，即l.反思與感悟(1)兩直線的方向向量共線時(shí)，兩直線平行；否則兩直線相交或異面.(2)直線的方向向量與平面的法向量共線時(shí)，直線和平面垂直；直線的方向向量與平面的法向量垂直時(shí)，直線在平面內(nèi)或線面平行；否則直線與平面相交但不垂直.(3)兩個(gè)平面的法向量共線(垂直)時(shí)，兩平面平行(垂直)；否則兩平面相交但不垂直.跟蹤訓(xùn)練1設(shè)平面的法向量為(1,3，2)，平面的法向量為(2，6，k)，若，則k_.答案4解析，(1,3，2)(2，6，k)，k4.題型二求平面的法向量例2如圖所示，在四棱錐sabcd中，底面是直角梯形，abc90，sa底面abcd，且saabbc1，ad，建立適當(dāng)?shù)目臻g直角坐標(biāo)系，求平面scd與平面sba的一個(gè)法向量.解如圖，以a為原點(diǎn)，以，分別為x，y，z軸的正方向建立空間直角坐標(biāo)系，則a(0,0,0)，d(，0,0)，c(1,1,0)，s(0,0,1)，則(，1,0)，(，0,1).易知向量(，0,0)是平面sab的一個(gè)法向量.設(shè)n(x，y，z)為平面sdc的法向量，則即取x2，則y1，z1，平面sdc的一個(gè)法向量為(2，1,1).反思與感悟求平面法向量的方法與步驟：(1)求平面abc的法向量時(shí)，要選取平面內(nèi)兩不共線向量，如，；(2)設(shè)平面的法向量為n(x，y，z)；(3)聯(lián)立方程組并求解；(4)所求出向量中的三個(gè)坐標(biāo)不是具體的值而是比例關(guān)系，設(shè)定一個(gè)坐標(biāo)為常數(shù)(常數(shù)不能為0)便可得到平面的一個(gè)法向量.跟蹤訓(xùn)練2已知a(1,0,1)，b(0,1,1)，c(1,1,0)，求平面abc的一個(gè)法向量.解設(shè)平面abc的法向量為n(x，y，z)，由題意知(1,1,0)，(1,0，1).n，n，解得令x1，則yz1.平面abc的一個(gè)法向量為n(1,1,1).題型三利用空間向量證明平行關(guān)系例3在四棱錐pabcd中，四邊形abcd是正方形，側(cè)棱pd垂直于底面abcd，pddc，e是pc的中點(diǎn).證明：pa平面edb.證明如圖所示，建立空間直角坐標(biāo)系，d是坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)pddca.方法一連接ac，交bd于點(diǎn)g，連接eg，依題意得d(0,0,0)，a(a,0,0)，p(0,0，a)，e(0，).因?yàn)樗倪呅蝍bcd是正方形，所以g是此正方形的中心，故點(diǎn)g的坐標(biāo)為(，0)，所以(，0，).又(a,0，a)，所以2，這表明paeg.而eg平面edb，且pa平面edb，所以pa平面edb.方法二設(shè)平面bde的法向量為n(x，y，z)，(0，)，(a，)，則有即即令y1，則所以n(1，1,1)，又(a,0，a)，所以n(1，1,1)(a,0，a)aa0.所以n.所以pa平面edb.方法三假設(shè)存在實(shí)數(shù)，使得，即(a,0，a)(0，)(a，)，則有解得所以，所以pa平面bde.反思與感悟通過(guò)證明平面內(nèi)的一個(gè)向量與直線的方向向量平行來(lái)證明線面平行，需要特別說(shuō)明直線的方向向量不在平面內(nèi)；通過(guò)證明平面的法向量與直線的方向向量垂直來(lái)證明直線與平面平行，求解法向量的賦值與運(yùn)算一定要準(zhǔn)確；本題應(yīng)用共面向量定理證明線面平行轉(zhuǎn)化為判定中和是否存在的問(wèn)題.跟蹤訓(xùn)練3如圖，已知在四棱錐pabcd中，底面abcd是矩形，且ad2，ab1，pa平面abcd，e，f分別是線段ab，bc的中點(diǎn).判斷并說(shuō)明pa上是否存在點(diǎn)g，使得eg平面pfd.解pa平面abcd，bad90，ab1，ad2，如圖，建立空間直角坐標(biāo)系axyz，則a(0,0,0)，b(1,0,0)，f(1,1,0)，d(0,2,0).不妨令p(0,0,t)，(1,1,t)，(1,1,0)，設(shè)平面pfd的法向量為n(x，y，z)，由得令z1，解得xy，n(，1).設(shè)點(diǎn)g的坐標(biāo)為(0,0，m)，又e(，0,0)，則(，0，m).要使eg平面pfd，只需n0，即()0m10，即m0，解得mt，從而滿足agap的點(diǎn)g即為所求.利用向量法判斷直線與平面平行例4已知u是平面的一個(gè)法向量，a是直線l的一個(gè)方向向量，若u(3,1,2)，a(2,2,2)，則l與的位置關(guān)系是_.錯(cuò)解因?yàn)閡a(3,1,2)(2,2,2)3(2)12220，所以u(píng)a，所以l.錯(cuò)解分析錯(cuò)誤的根本原因是忽視了直線與平面平行和向量與平面平行的區(qū)別.實(shí)際上，本例中由向量ua可得l或l.正解因?yàn)閡a(3,1,2)(2,2,2)3(2)12220.所以u(píng)a，所以l或l.答案l或l1.已知a(2,4,5)，b(3，x，y)分別是直線l1、l2的方向向量.若l1l2，則()a.x6，y15b.x3，yc.x3，y15d.x6，y答案d解析由l1l2得，解得x6，y.2.已知線段ab的兩端點(diǎn)坐標(biāo)為a(9,3,4)，b(9,2,1)，則線段ab與坐標(biāo)平面()a.xoy平行b.xoz平行c.yoz平行d.yoz相交答案c解析因?yàn)?9,2,1)(9，3,4)(0,5，3)，所以ab平面yoz.3.若a(1,0，1)，b(2,1,2)在直線l上，則直線l的一個(gè)方向向量是()a.(2,2,6) b.(1,1,3)c.(3,1,1) d.(3,0,1)答案a解析a，b在直線l上，(1,1,3)，與共線的向量(2,2,6)可以是直線l的一個(gè)方向向量.4.設(shè)直線l的方向向量為a，平面的法向量為b，若ab0，則()a.lb.lc.ld.l或l答案d解析ab0，l或l.5.在直三棱柱abca1b1c1中，以下向量可以作為平面abc法向量的是_.(填序號(hào))；.答案解析aa1平面abc，b1b平面abc，與可以作為平面abc的法向量.1.利用向量解決立體幾何問(wèn)題的“三步曲”：(1)建