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空间向量的坐标运算(理)

 

一、一周知识概述

  本周学习如何建立空间直角坐标系,会用坐标来表示空间向量和空间中的点的位置关系,并会进行空间向量的坐标运算,利用坐标来研究平行向量,垂直向量间应满足的坐标关系,会求空间两点间的距离,两向量间的夹角.

  空间向量的坐标运算关键是建立恰当的坐标系,因为它虽不影响线线、线面、面面位置关系的确定,但它对坐标的影响很大,更对计算的繁简有很大影响.

  空间向量的坐标运算类似于平面向量的坐标运算,为解决立体几何问题提供有力的工具:夹角公式可求解立体几何中“线线”“线面”成角问题;空间两点间距离公式可计算空间线段的长度;利用向量的平行与垂直证明线线平行、线线垂直等问题带来了方便.

二、重、难点知识的归纳与剖析

(一)本周学习与研究中的三个重点

1、空间右手直角坐标系及其在空间右手直角坐标系下的向量坐标运算.

  空间直角坐标系是在仿射坐标系的基础上,选取空间任意一点O和一个单位正交基底{}(按右手系排列)建立的坐标系.具体选择坐标系时,注意O点的任意性,一方面既要有利于作图的直观性,另一方面又要注意有关要求点的坐标容易表示.

  在空间右手直角坐标系下的点,向量坐标是唯一的,这一点的理解和证明可仿照向量分解定理的唯一性理解和证明.由此说明相等的向量其坐标是唯一的,这为后面的解题中常常需要进行向量的平移提供理论依据.

  空间向量的坐标运算,加法、减法和数量积等与平面向量类似,具有类似的运算法则,同学们学习中可类比的学习.虽然一个向量在不同空间的表达方式不同,但其实质没变,即向量在平面上是用唯一确定的有序实数对表示,即=(x,y),而在空间则用唯一确定的有序实数组表示,即=(x,y,z).如向量的数量积在二维、三维空间都是这样定义的.不同点仅是向量在不同空间具有不同的表达形式.如在平面上,,在空间=(a1,a2,a3), ,不论在平面或空间都有

2、空间两向量平行、垂直的充要条件

  

  空间两向量平行时与平面两向量平行的表达式不一样,但实质是一致的,即对应坐标成比例,且比值为λ,空间两向量垂直的充要条件形式与平面向量里类似,仅多了一项基向量而已.

3、空间两向量的夹角公式,距离公式,中点坐标公式

  (1)

   

  (2)

    

  (3)为AB的中点,

     则由可知

  夹角公式在平面向量正文里没有涉及,但可根据数量积的定义推出.这里应注意两向量夹角范围是:0°≤θ≤180°,当θ=0°时,表示两向量为同向共线向量,当θ=90°时,表示两向量垂直,当θ=180°时,表示两向量为反向共线向量.

  两点间的距离公式是长度公式的推广.其推导过程是首先根据向量的减法,推出向量的坐标表示,然后再用长度公式推出.

  这几个公式都与坐标原点的选取无关.

(二)本周学习与研究中的两个难点

1、空间任意一点的坐标确定

  空间任一点P的坐标确定办法如下:过P分别作三个坐标平面的平行平面(或垂面),分别交坐标轴于A、B、C三点,|x|=OA,|y|=OB,|z|=OC,当方向相同时,x>0,反之x<0,同理,可确定y、z.具体理解,可以以长方体作为模型,以其一共点的三条棱,建立空间直角坐标系来理解.

  这其中同学们应准确判断一点在各坐标平面内的射影的坐标,并比较它们间的关系,以及一些特殊点,如落在坐标轴上的点的坐标形式等.

2、距离公式,夹角公式的应用

  应用距离公式、夹角公式解决立体几何问题,关键在于选择建立适当的空间直角坐标系.它们在立体几何中的应用有:计算两异面直线所成角时,当用几何方法较困难时,可以建立适当的空间直角坐标系后,利用向量方法求解,此时应注意异面直线所成的角的范围与向量夹角范围的区别;求线段的长度时,有时用几何方法较难构造三角形,此时,可考虑应用向量方法,表示出线段两端点的坐标,然后再用两点间的距离加以解决.

三、例题点评

例1、 t取全体实数值时,对于以O为原点的坐标空间内的动点P(1-t,1-t,t),Q(2,t,t),回答下列问题:

  (1)求线段PQ的最小值;

  (2)求使直线OP和OQ垂直的t值.

[解析]

例2、

   试问是否存在实数λ,μ,v.如果存在,算出λ,μ,ν,如果不存在,请给出证明.

[解析]

例3、如图所示,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,M、N分别是A1A,B1B的中点,求直线CM与D1N所成角的正弦值.

[解析]

例4、在长方体OABC—O1A1B1C1中,|OA|=2,|AB|=3,|AA1|=2,E为BC中点.

(1)求直线AO1与B1E所成角的大小;

(2)作O1D⊥AC于D,求点O1到点D的距离.

[解析]

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