數(shù)學(xué)：3.2.1-3.2.2《直線的方向向量、平面的法向量以及空間線面關(guān)系的判定》課件(新人教A版選修2-1)

1、研究 從今天開始從今天開始, ,我們將進(jìn)一步來體會(huì)向量這一工我們將進(jìn)一步來體會(huì)向量這一工具在立體幾何中的應(yīng)用具在立體幾何中的應(yīng)用. .為了用向量來研究空間的線面位置關(guān)系，首先我為了用向量來研究空間的線面位置關(guān)系，首先我們要用向量來表示直線和平面的們要用向量來表示直線和平面的“方向方向”。那么。那么如何用向量來刻畫直線和平面的如何用向量來刻畫直線和平面的“方向方向”呢？呢？一、直線的方向向量一、直線的方向向量e ABle 直線直線l上的向量上的向量 以及與以及與 共線共線的向量叫做直線的向量叫做直線l的的方向向量方向向量。e e 102點(diǎn)點(diǎn)p的位置向量的位置向量由于垂直于同一平面的直線是互相平行

2、的由于垂直于同一平面的直線是互相平行的, 所以，可以所以，可以用垂直于平面的直線的方向向量來刻畫平面的用垂直于平面的直線的方向向量來刻畫平面的“方向方向”。二、平面的法向量二、平面的法向量平面的法向量：平面的法向量：如果表示向量如果表示向量 的有向線段所在直線垂的有向線段所在直線垂直于平面直于平面 ，則稱這個(gè)向量垂直于平面，則稱這個(gè)向量垂直于平面 ,記作記作 ，如果如果 ，那，那 么么 向向 量量 叫做叫做平面平面 的的法向量法向量. n n n n An l 給定一點(diǎn)給定一點(diǎn)A和一個(gè)向量和一個(gè)向量 ,那么過點(diǎn)那么過點(diǎn)A,以向量以向量 為法向量的平面是完全確定的為法向量的平面是完全確定的.n

3、n 幾點(diǎn)注意：幾點(diǎn)注意：1.法向量一定是非零向量法向量一定是非零向量;2.一個(gè)平面的所有法向量都互相平行一個(gè)平面的所有法向量都互相平行;3.向量向量 是平面的法向量，向量是平面的法向量，向量 是是 與平面平行或在平面內(nèi)，則有與平面平行或在平面內(nèi)，則有0n m n m 由兩個(gè)三元一次方程由兩個(gè)三元一次方程組成的方程組的解是組成的方程組的解是不惟一的，為方便起不惟一的，為方便起見，取見，取Z=1Z=1較合理。較合理。其實(shí)平面的法向量不其實(shí)平面的法向量不是惟一的。是惟一的。(2,2,1),(4,5,3),ABACABC 例2：已知求平面的 單位法向量。nxyz解：設(shè)平面的法向量為（ ， ， ），(2

4、,2,1)0(4,5,3)0,nABnACxyzxyz 則，（ ， ， ）， （ ， ， ）220,4530 xyzxyz即1121xzy 取，得1( , 1,1),2n3|2n 12 2 (-33 3ABC求平面的單位法向量為， ，）問題：如何求平面的法向量？),() 1 (zyxn 設(shè)出平面的法向量為),(),()2(222111cbabcbaa向量的坐標(biāo)兩個(gè)不共線的找出（求出）平面內(nèi)的111222(3), ,0000 x y za xb yc zn an ba xb yc z 根根據(jù)據(jù)法法向向量量的的定定義義建建立立關(guān)關(guān)于于的的方方程程組組個(gè)解，即得法向量。解方程組，取其中的一)4(平面

5、的法向平面的法向量不惟一，量不惟一，合理取值即合理取值即可。可。例例3. 3. 在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，設(shè)平面在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，設(shè)平面 經(jīng)過經(jīng)過 點(diǎn)點(diǎn) ，平面，平面 的法向量為的法向量為 ， 為平面為平面 內(nèi)任意一點(diǎn)，求內(nèi)任意一點(diǎn)，求 滿足的關(guān)系式。滿足的關(guān)系式。),(000zyxP),(CBAe ),(zyxMzyx,000(,)PMxxyyzz ，解：由題意可得解：由題意可得 0 PMe000(,) (,)0A B Cxxyyzz 即即000()()()0A xxB yyC zz 化化簡(jiǎn)簡(jiǎn)得得： 因?yàn)榉较蛳蛄颗c法向量可以確定直線和因?yàn)榉较蛳蛄颗c法向量可以確定直線和平面的位置，所以我們應(yīng)該可以

6、利用直線的平面的位置，所以我們應(yīng)該可以利用直線的方向向量與平面的法向量表示空間直線、平方向向量與平面的法向量表示空間直線、平面間的面間的平行、垂直、夾角平行、垂直、夾角等位置關(guān)系等位置關(guān)系. . 那么如何用直線的方向向量表示空間那么如何用直線的方向向量表示空間兩直線平行、垂直的位置關(guān)系以及它們之兩直線平行、垂直的位置關(guān)系以及它們之間的夾角呢？如何用平面的法向量表示空間的夾角呢？如何用平面的法向量表示空間兩平面平行、垂直的位置關(guān)系以及它們間兩平面平行、垂直的位置關(guān)系以及它們二面角的大小呢？二面角的大小呢？線線面面平平行行 面面面面平平行行 三、平行關(guān)系：三、平行關(guān)系：111222(,),(,),

7、lea b cna b c設(shè)直線 的方向向量為平面 的法向量為則121 21 2/00;lena abbc cABCDADEFNM,AEBD,11,33BMBD ANAE ，/MNCDE平平面面例例4 4 如圖，已知矩形如圖，已知矩形和矩形和矩形所在平面互相垂直，點(diǎn)所在平面互相垂直，點(diǎn)分別在對(duì)角線分別在對(duì)角線上，且上，且求證：求證：ABCDEFxyzMN), 0 ,2(caBMABNANM)0 ,3 , 0(bAD 0NM AD 由NMAD得到簡(jiǎn)證：因?yàn)榫匦魏?jiǎn)證：因?yàn)榫匦蜛BCD和矩形和矩形ADEF所在平面互相垂直，所以所在平面互相垂直，所以AB，AD，AF互相垂直。以互相垂直。以 為正交為正

8、交基底，建立如圖所示空間坐標(biāo)系，基底，建立如圖所示空間坐標(biāo)系，設(shè)設(shè)AB,AD,AF長(zhǎng)分別為長(zhǎng)分別為3a，3b，3c，AB AD AF ， ，則可得各點(diǎn)坐標(biāo)，從而有則可得各點(diǎn)坐標(biāo)，從而有又平面又平面CDECDE的一個(gè)法向量是的一個(gè)法向量是因?yàn)橐驗(yàn)镸N不在平面不在平面CDE內(nèi)內(nèi)所以所以MN/平面平面CDE四、垂直關(guān)系：四、垂直關(guān)系：111222222,0, /abca b cenabc當(dāng)時(shí)111222(,),(,),ea b cna b c若則121212/,.lenenaa bb ccA1xD1B1ADBCC1yzEFCD中點(diǎn)，求證：中點(diǎn)，求證：D1F1111DCBAABCD 例例5.5.在正方

9、體在正方體中，中，E、F分別是分別是BB1,1,，平面平面ADE 證明：設(shè)正方體棱長(zhǎng)為證明：設(shè)正方體棱長(zhǎng)為1， 為單位正交為單位正交 基底，建立如圖所示坐標(biāo)系基底，建立如圖所示坐標(biāo)系D-xyz，則可得：則可得：1,DADCDD 以以， 1(1,0,0)(1,1,)2DADE ，11(0, 1)2D F 又又因因?yàn)闉?0n DAn DE 則則由由，得得 所以所以1D FADE 平平面面ADEnxyz 設(shè)設(shè)平平面面的的一一個(gè)個(gè)法法向向量量為為 =(=( ， ， ) )000102xxyz 12xyz 則則 =0=0，不不妨妨取取，得得01 -2n 所所以以 =(=( ， ， ) )/1D F n

10、所所以以105例例1 例例6：如圖如圖1：一個(gè)結(jié)晶體的形狀為四棱柱，其中，以：一個(gè)結(jié)晶體的形狀為四棱柱，其中，以頂點(diǎn)頂點(diǎn)A為端點(diǎn)的三條棱長(zhǎng)都相等，且它們彼此的夾角為端點(diǎn)的三條棱長(zhǎng)都相等，且它們彼此的夾角都是都是60，那么以這個(gè)頂點(diǎn)為端點(diǎn)的晶體的對(duì)角線的，那么以這個(gè)頂點(diǎn)為端點(diǎn)的晶體的對(duì)角線的長(zhǎng)與棱長(zhǎng)有什么關(guān)系？長(zhǎng)與棱長(zhǎng)有什么關(guān)系？ A1B1C1D1ABCD圖圖1解解:如圖如圖1,不妨設(shè)不妨設(shè)11 ABAAAD，1160BAADAA 化為向量問題化為向量問題依據(jù)向量的加法法則依據(jù)向量的加法法則，11ACABADAA 進(jìn)行向量運(yùn)算進(jìn)行向量運(yùn)算2211()ACABADAA 2221112()ABADA

11、AAB ADAB AAAD AA 1112(cos60cos60cos60 ) 6 所以所以1|6AC 回到圖形問題回到圖形問題這個(gè)晶體的對(duì)角線這個(gè)晶體的對(duì)角線 的長(zhǎng)是棱長(zhǎng)的的長(zhǎng)是棱長(zhǎng)的 倍倍。1AC6BAD鞏固性訓(xùn)練11.設(shè)設(shè) 分別是直線分別是直線l1,l2的方向向量的方向向量,根據(jù)下根據(jù)下 列條件列條件,判斷判斷l(xiāng)1,l2的位置關(guān)系的位置關(guān)系.ba,)3, 0 , 0(),1 , 0 , 0()3()2 , 3 , 2(),2, 2 , 1 ()2()6, 3, 6(),2, 1, 2() 1 (bababa平行平行垂直垂直平行平行鞏固性訓(xùn)練21.設(shè)設(shè) 分別是平面分別是平面,的法向量的法向量,根據(jù)根據(jù) 下列條件下列條件,判斷判斷,的位置關(guān)系的位置關(guān)系.vu,)4, 1 , 3(),5 , 3, 2()3()4 , 4, 2(),2, 2 , 1 ()2()4 ,