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本文题目：高三数学教案：空间向量及其应用复习学案

2013年普通高考数学科一轮复习精品学案

第36讲 空间向量及其应用

一.课标要求：

(1)空间向量及其运算

① 经历向量及其运算由平面向空间推广的过程;

② 了解空间向量的概念，了解空间向量的基本定理及其意义，掌握空间向量的正交分解及其坐标表示;

③ 掌握空间向量的线性运算及其坐标表示;

④ 掌握空间向量的数量积及其坐标表示，能运用向量的数量积判断向量的共线与垂直。

(2)空间向量的应用

① 理解直线的方向向量与平面的法向量;

② 能用向量语言表述线线、线面、面面的垂直、平行关系;

③ 能用向量方法证明有关线、面位置关系的一些定理(包括三垂线定理);

④ 能用向量方法解决线线、线面、面面的夹角的计算问题，体会向量方法在研究几何问题中的作用。

二.命题走向

本讲内容主要涉及空间向量的坐标及运算、空间向量的应用。本讲是立体几何的核心内容，高考对本讲的考察形式为：以客观题形式考察空间向量的概念和运算，结合主观题借助空间向量求夹角和距离。

预测2013年高考对本讲内容的考查将侧重于向量的应用，尤其是求夹角、求距离，教材上淡化了利用空间关系找角、找距离这方面的讲解，加大了向量的应用，因此作为立体几何解答题，用向量法处理角和距离将是主要方法，在复习时应加大这方面的训练力度。

三.要点精讲

1.空间向量的概念

向量：在空间，我们把具有大小和方向的量叫做向量。如位移、速度、力等。

相等向量：长度相等且方向相同的向量叫做相等向量。

表示方法：用有向线段表示，并且同向且等长的有向线段表示同一向量或相等的向量。

说明：①由相等向量的概念可知，一个向量在空间平移到任何位置，仍与原来的向量相等，用同向且等长的有向线段表示;②平面向量仅限于研究同一平面内的平移，而空间向量研究的是空间的平移。

2.向量运算和运算率

加法交换率：

加法结合率：

数乘分配率：

说明：①引导学生利用右图验证加法交换率，然后推广到首尾相接的若干向量之和;②向量加法的平行四边形法则在空间仍成立。

3.平行向量(共线向量)：如果表示空间向量的有向线段所在的直线互相平行或重合，则这些向量叫做共线向量或平行向量。 平行于 记作 ∥ 。

注意：当我们说 、 共线时，对应的有向线段所在直线可能是同一直线，也可能是平行直线;当我们说 、 平行时，也具有同样的意义。

共线向量定理：对空间任意两个向量 ( ≠ )、 ， ∥ 的充要条件是存在实数 使 =

注：⑴上述定理包含两个方面：①性质定理：若 ∥ ( ≠0)，则有 = ，其中 是唯一确定的实数。②判断定理：若存在唯一实数 ，使 = ( ≠0)，则有 ∥ (若用此结论判断 、 所在直线平行，还需 (或 )上有一点不在 (或 )上)。

⑵对于确定的 和 ， = 表示空间与 平行或共线，长度为 | |，当 >0时与 同向，当 <0时与 反向的所有向量。

⑶若直线l∥ ， ，P为l上任一点，O为空间任一点，下面根据上述定理来推导 的表达式。

推论：如果 l为经过已知点A且平行于已知非零向量 的直线，那么对任一点O，点P在直线l上的充要条件是存在实数t，满足等式

①

其中向量 叫做直线l的方向向量。

在l上取 ，则①式可化为 ②

当 时，点P是线段AB的中点，则 ③

①或②叫做空间直线的向量参数表示式，③是线段AB的中点公式。

注意：⑴表示式(﹡)、(﹡﹡)既是表示式①,②的基础，也是常用的直线参数方程的表示形式;⑵推论的用途：解决三点共线问题。⑶结合三角形法则记忆方程。

4.向量与平面平行：如果表示向量 的有向线段所在直线与平面 平行或 在 平面内，我们就说向量 平行于平面 ，记作 ∥ 。注意：向量 ∥ 与直线a∥ 的联系与区别。

共面向量：我们把平行于同一平面的向量叫做共面向量。

共面向量定理 如果两个向量 、 不共线，则向量 与向量 、 共面的充要条件是存在实数对x、y，使 ①

注：与共线向量定理一样，此定理包含性质和判定两个方面。

推论：空间一点P位于平面MAB内的充要条件是存在有序实数对x、y，使

④

或对空间任一定点O，有 ⑤

在平面MAB内，点P对应的实数对(x, y)是唯一的。①式叫做平面MAB的向量表示式。

又∵ 代入⑤，整理得

⑥

由于对于空间任意一点P，只要满足等式④、⑤、⑥之一(它们只是形式不同的同一等式)，点P就在平面MAB内;对于平面MAB内的任意一点P，都满足等式④、⑤、⑥，所以等式④、⑤、⑥都是由不共线的两个向量 、 (或不共线三点M、A、B)确定的空间平面的向量参数方程，也是M、A、B、P四点共面的充要条件。

5.空间向量基本定理：如果三个向量 、 、 不共面，那么对空间任一向量，存在一个唯一的有序实数组x, y, z, 使

说明：⑴由上述定理知，如果三个向量 、 、 不共面，那么所有空间向量所组成的集合就是 ，这个集合可看作由向量 、 、 生成的，所以我们把{ ， ， }叫做空间的一个基底， ， ， 都叫做基向量;⑵空间任意三个不共面向量都可以作为空间向量的一个基底;⑶一个基底是指一个向量组，一个基向量是指基底中的某一个向量，二者是相关联的不同的概念;⑷由于 可视为与任意非零向量共线。与任意两个非零向量共面，所以，三个向量不共面就隐含着它们都不是 。

推论：设O、A、B、C是不共面的四点，则对空间任一点P，都存在唯一的有序实数组 ，使

6.数量积

(1)夹角：已知两个非零向量 、 ，在空间任取一点O，作 ， ，则角∠AOB叫做向量 与 的夹角，记作

说明：⑴规定0≤ ≤ ,因而 = ;

⑵如果 = ，则称 与 互相垂直，记作 ⊥ ;

⑶在表示两个向量的夹角时，要使有向线段的起点重合，注意图(3)、(4)中的两个向量的夹角不同，

图(3)中∠AOB= ，

图(4)中∠AOB= ,

从而有 = = .

(2)向量的模：表示向量的有向线段的长度叫做向量的长度或模。

(3)向量的数量积： 叫做向量 、 的数量积，记作 。

即 = ，

向量 :

(4)性质与运算率

⑴ 。 ⑴

⑵ ⊥ =0 ⑵ =

⑶ ⑶

四.典例解析

题型1：空间向量的概念及性质

例1.有以下命题：①如果向量 与任何向量不能构成空间向量的一组基底，那么 的关系是不共线;② 为空间四点，且向量 不构成空间的一个基底，那么点 一定共面;③已知向量 是空间的一个基底，则向量 ，也是空间的一个基底。其中正确的命题是( )

①② ①③ ②③ ①②③

解析：对于①“如果向量 与任何向量不能构成空间向量的一组基底，那么 的关系一定共线”;所以①错误。②③正确。

点评：该题通过给出命题的形式考察了空间向量能成为一组基的条件，为此我们要掌握好空间不共面与不共线的区别与联系。

例2.下列命题正确的是( )

若 与 共线， 与 共线，则 与 共线;

向量 共面就是它们所在的直线共面;

零向量没有确定的方向;

若 ，则存在唯一的实数 使得 ;

解析：A中向量 为零向量时要注意，B中向量的共线、共面与直线的共线、共面不一样，D中需保证 不为零向量。

答案C。

点评：零向量是一个特殊的向量，时刻想着零向量这一特殊情况对解决问题有很大用处。像零向量与任何向量共线等性质，要兼顾。

题型2：空间向量的基本运算

例3.如图：在平行六面体 中， 为 与 的交点。若 ， ， ，则下列向量中与 相等的向量是( )

解析：显然 ;

答案为A。

点评：类比平面向量表达平面位置关系过程，掌握好空间向量的用途。用向量的方法处理立体几何问题，使复杂的线面空间关系代数化，本题考查的是基本的向量相等，与向量的加法.考查学生的空间想象能力。

例4.已知： 且 不共面.若 ∥ ,求 的值.

解： ∥ ,,且 即

又 不共面,

点评：空间向量在运算时，注意到如何实施空间向量共线定理。

题型3：空间向量的坐标

例5.(1)已知两个非零向量 =(a1，a2，a3)， =(b1，b2，b3)，它们平行的充要条件是(　　)

A. ：| |= ：| |　　　　　　　　　　　　B.a1•b1=a2•b2=a3•b3

C.a1b1+a2b2+a3b3=0　　　　　　　　　　　　D.存在非零实数k，使 =k

(2)已知向量 =(2，4，x)， =(2，y，2)，若| |=6， ⊥ ，则x+y的值是(　　)

A. -3或1　　　　　 B.3或-1　　　　　 C. -3　　　　　 D.1

(3)下列各组向量共面的是(　　)

A. =(1，2，3)， =(3，0，2)， =(4，2，5)

B. =(1，0，0)， =(0，1，0)， =(0，0，1)

C. =(1，1，0)， =(1，0，1)， =(0，1，1)

D. =(1，1，1)， =(1，1，0)， =(1，0，1)

解析：(1)D;点拨：由共线向量定线易知;

(2)A　点拨：由题知 或 ;

(3)A　点拨：由共面向量基本定理可得。

点评：空间向量的坐标运算除了数量积外就是考察共线、垂直时参数的取值情况。

例6.已知空间三点A(-2，0，2)，B(-1，1，2)，C(-3，0，4)。设 = ， = ，(1)求 和 的夹角 ;(2)若向量k + 与k -2 互相垂直，求k的值.

思维入门指导：本题考查向量夹角公式以及垂直条件的应用，套用公式即可得到所要求的结果.

解：∵A(-2，0，2)，B(-1，1，2)，C(-3，0，4)， = ， = ，

∴ =(1，1，0)， =(-1，0，2).

(1)cos = = - ，

∴ 和 的夹角为- 。

(2)∵k + =k(1，1，0)+(-1，0，2)=(k-1，k，2)，

k -2 =(k+2，k，-4)，且(k + )⊥(k -2 )，

∴(k-1，k，2)•(k+2，k，-4)=(k-1)(k+2)+k2-8=2k2+k-10=0。

则k=- 或k=2。

点拨：第(2)问在解答时也可以按运算律做。( + )(k -2 )=k2 2-k • -2 2=2k2+k-10=0，解得k=- ，或k=2。

题型4：数量积

例7.设 、 、c是任意的非零平面向量,且相互不共线,则

①( • ) -( • ) = ②| |-| |<| - | ③( • ) -( • ) 不与 垂直

④(3 +2 )(3 -2 )=9| |2-4| |2中，是真命题的有( )

A.①② B.②③ C.③④ D.②④

答案：D

解析：①平面向量的数量积不满足结合律.故①假;

②由向量的减法运算可知| |、| |、| - |恰为一个三角形的三条边长，由“两边之差小于第三边”，故②真;

③因为[( • ) -( • ) ]• =( • ) • -( • ) • =0，所以垂直.故③假;

④(3 +2 )(3 -2 )=9• • -4 • =9| |2-4| |2成立.故④真.

点评：本题考查平面向量的数量积及运算律。

例8.(1)已知向量 和 的夹角为120°，且| |=2，| |=5，则(2 - )• =_____.

(2)设空间两个不同的单位向量 =(x1，y1，0)， =(x2，y2，0)与向量 =(1，1，1)的夹角都等于 。(1)求x1+y1和x1y1的值;(2)求< ， >的大小(其中0<< ， ><π 。

解析：(1)答案：13;解析：∵(2 - )• =2 2- • =2| |2-| |•| |•cos120°=2•4-2•5(- )=13。

(2)解：(1)∵| |=| |=1，∴x +y =1，∴x =y =1.

又∵ 与 的夹角为 ，∴ • =| || |cos = = .

又∵ • =x1+y1，∴x1+y1= 。

另外x +y =(x1+y1)2-2x1y1=1，∴2x1y1=( )2-1= .∴x1y1= 。

(2)cos< ， >= =x1x2+y1y2，由(1)知，x1+y1= ，x1y1= .∴x1，y1是方程x2- x+ =0的解.

∴ 或 同理可得 或

∵ ≠ ，∴ 或

∴cos< ， >= • + • = + = .

∵0≤< ， >≤π，∴< ， >= 。

评述：本题考查向量数量积的运算法则。

题型5：空间向量的应用

例9.(1)已知a、b、c为正数，且a+b+c=1，求证： + + ≤4 。

(2)已知F1=i+2j+3k，F2=-2i+3j-k，F3=3i-4j+5k，若F1，F2，F3共同作用于同一物体上，使物体从点M1(1，-2，1)移到点M2(3，1，2)，求物体合力做的功。

解析：(1)设 =( ， ， )， =(1，1，1)，

则| |=4，| |= .

∵ • ≤| |•| |，

∴ • = + + ≤| |•| |=4 .

当 = = 时，即a=b=c= 时，取“=”号。

(2)解：W=F•s=(F1+F2+F3)• =14。

点评：若 =(x，y，z)， =(a，b，c)，则由 • ≤| |•| |，得(ax+by+cz)2≤(a2+b2+c2)(x2+y2+z2).此式又称为柯西不等式(n=3)。本题考查| |•| |≥ • 的应用，解题时要先根据题设条件构造向量 ， ，然后结合数量积性质进行运算。空间向量的数量积对应做功问题。

例10.如图,直三棱柱 中, 求证:

证明：

同理

又

设 为 中点,则

又

点评：从上述例子可以看出,利用空间向量来解决位置关系问题，要用到空间多边形法则，向量的运算，数量积以及平行,相等和垂直的条件。

五.思维总结

本讲内容主要有空间直角坐标系，空间向量的坐标表示，空间向量的坐标运算，平行向量，垂直向量坐标之间的关系以及中点公式.空间直角坐标系是选取空间任意一点O和一个单位正交基底{i，j，k｝建立坐标系，对于O点的选取要既有作图的直观性，而且使各点的坐标，直线的坐标表示简化，要充分利用空间图形中已有的直线的关系和性质;空间向量的坐标运算同平面向量类似，具有类似的运算法则.一个向量在不同空间的表达方式不一样，实质没有改变.因而运算的方法和运算规律结论没变。如向量的数量积a•b=|a|•|b|cos在二维、三维都是这样定义的，不同点仅是向量在不同空间具有不同表达形式.空间两向量平行时同平面两向量平行时表达式不一样，但实质是一致的，即对应坐标成比例，且比值为 ，对于中点公式要熟记。

对本讲内容的考查主要分以下三类：

1.以选择、填空题型考查本章的基本概念和性质

此类题一般难度不大，用以解决有关长度、夹角、垂直、判断多边形形状等问题。

2.向量在空间中的应用

在空间坐标系下，通过向量的坐标的表示，运用计算的方法研究三维空间几何图形的性质。

在复习过程中，抓住源于课本，高于课本的指导方针。本讲考题大多数是课本的变式题，即源于课本。因此，掌握双基、精通课本是本章关键。

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