新版數(shù)學(xué)學(xué)案同步精致講義選修21北師大版：第二章　空間向量與立體幾何 167;2 空間向量的運(yùn)算二 Word版含答案

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1、新版數(shù)學(xué)北師大版精品資料 2　空間向量的運(yùn)算(二) 學(xué)習(xí)目標(biāo)　1.掌握兩個(gè)向量的數(shù)量積的概念、性質(zhì)、計(jì)算與運(yùn)算律.2.掌握兩個(gè)向量的數(shù)量積在判斷向量共線與垂直中的應(yīng)用． 知識(shí)點(diǎn)　數(shù)量積的概念及運(yùn)算律 1．已知兩個(gè)非零向量a，b，則|a||b|cos〈a，b〉叫作a，b的數(shù)量積，記作ab，即ab＝|a||b|cos〈a，b〉． 2．空間向量數(shù)量積的性質(zhì) (1)a⊥b?ab＝0. (2)|a|2＝aa，|a|＝. (3)cos〈a，b〉＝. 3．空間向量數(shù)量積的運(yùn)算律 (1)(λa)b＝λ(ab)(λ∈R)． (2)ab＝ba(交換律)． (3)a(b＋c)＝ab＋ac

2、(分配律)． 特別提醒：不滿足結(jié)合律(ab)c＝a(bc)． 1．對(duì)于非零向量b，由ab＝bc，可得a＝c.() 2．對(duì)于向量a，b，c，有(ab)c＝a(bc)．() 3．若非零向量a，b為共線且同向的向量，則ab＝|a||b|.(√) 4．對(duì)任意向量a，b，滿足|ab|≤|a||b|.(√) 類型一　數(shù)量積的計(jì)算 例1　如圖所示，在棱長(zhǎng)為1的正四面體ABCD中，E，F(xiàn)分別是AB，AD的中點(diǎn)，求： (1)； (2)； (3)； (4). 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　用定義求數(shù)量積 解　(1)＝ ＝||||cos〈，〉 ＝cos 60＝.

3、 (2)＝＝||2＝. (3)＝ ＝||||cos〈，〉 ＝cos 120＝－. (4)＝(－) ＝－ ＝||||cos〈，〉－||||cos〈，〉 ＝cos 60－cos 60＝0. 反思與感悟　(1)已知a，b的模及a與b的夾角，直接代入數(shù)量積公式計(jì)算． (2)如果要求的是關(guān)于a與b的多項(xiàng)式形式的數(shù)量積，可以先利用數(shù)量積的運(yùn)算律將多項(xiàng)式展開(kāi)，再利用aa＝|a|2及數(shù)量積公式進(jìn)行計(jì)算． 跟蹤訓(xùn)練1　已知在長(zhǎng)方體ABCD－A1B1C1D1中，AB＝AA1＝2，AD＝4，E為側(cè)面AB1的中心，F(xiàn)為A1D1的中點(diǎn)．試計(jì)算： (1)；(2)；(3). 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的

4、概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　用定義求數(shù)量積 解　如圖，設(shè)＝a，＝b， ＝c，則|a|＝|c|＝2，|b|＝4， ab＝bc＝ca＝0. (1) ＝b＝|b|2＝42＝16. (2)＝(a＋c)＝|c|2－|a|2 ＝22－22＝0. (3)＝ ＝(－a＋b＋c)＝－|a|2＋|b|2＝2. 類型二　利用數(shù)量積證明垂直問(wèn)題 例2　(1)已知空間四邊形ABCD中，AB⊥CD，AC⊥BD，那么AD與BC的位置關(guān)系為_(kāi)__________________________________________________．(填“平行”“垂直”) 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　

5、數(shù)量積的綜合應(yīng)用 答案　垂直 解析　∵＝(＋)(－) ＝＋－2－ ＝(－－)＝＝0， ∴AD與BC垂直． (2)如圖所示，在正方體ABCD－A1B1C1D1中，O為AC與BD的交點(diǎn)，G為CC1的中點(diǎn)，求證：A1O⊥平面GBD. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　數(shù)量積的綜合應(yīng)用 證明　設(shè)＝a，＝b，＝c， 則ab＝0，bc＝0，ac＝0，|a|＝|b|＝|c|. ∵＝＋＝＋(＋) ＝c＋a＋b， ＝－＝b－a， ＝＋＝(＋)＋ ＝a＋b－c ∴＝(b－a) ＝cb－ca＋ab－a2＋b2－ba ＝(b2－a2) ＝(|b|2－|a|2)＝0. 于是⊥

6、，即A1O⊥BD. 同理可證⊥，即A1O⊥OG. 又∵OG∩BD＝O，OG?平面GBD，BD?平面CBD， ∴A1O⊥平面GBD. 反思與感悟　(1)證明線線垂直的方法 證明線線垂直的關(guān)鍵是確定直線的方向向量，根據(jù)方向向量的數(shù)量積是否為0來(lái)判斷兩直線是否垂直． (2)證明與空間向量a，b，c有關(guān)的向量m，n垂直的方法 先用向量a，b，c表示向量m，n，再判斷向量m，n的數(shù)量積是否為0. 跟蹤訓(xùn)練2　如圖，在空間四邊形OACB中，OB＝OC，AB＝AC，求證：OA⊥BC. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　數(shù)量積的綜合應(yīng)用 證明　因?yàn)镺B＝OC，AB＝AC，OA＝OA，

7、 所以△OAC≌△OAB， 所以∠AOC＝∠AOB. 又＝(－)＝－ ＝||||cos∠AOC－||||cos∠AOB＝0， 所以⊥，即OA⊥BC. 類型三　利用數(shù)量積解決空間角或兩點(diǎn)間的距離問(wèn)題 命題角度1　解決角度問(wèn)題 例3　在空間四邊形OABC中，連接AC，OB，OA＝8，AB＝6，AC＝4，BC＝5，∠OAC＝45，∠OAB＝60，求向量與BC所成角的余弦值． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求角 解　∵＝－， ∴＝－ ＝||||cos〈，〉－||||cos〈，〉 ＝84cos135－86cos120＝24－16， ∴cos〈，〉 ＝

8、＝＝. 反思與感悟　求兩個(gè)空間向量a，b夾角的方法類同平面內(nèi)兩向量夾角的求法，利用公式cos〈a，b〉＝，在具體的幾何體中求兩向量的夾角時(shí)，可把其中一個(gè)向量的起點(diǎn)平移至與另一個(gè)向量的起點(diǎn)重合，轉(zhuǎn)化為求平面中的角度大小問(wèn)題． 跟蹤訓(xùn)練3　如圖所示，在正方體ABCD－A1B1C1D1中，求異面直線A1B與AC所成的角． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求解 解　不妨設(shè)正方體的棱長(zhǎng)為1， 設(shè)＝a，＝b，＝c， 則|a|＝|b|＝|c|＝1， ab＝bc＝ca＝0， ＝a－c，＝a＋b. ∴＝(a－c)(a＋b) ＝|a|2＋ab－ac－bc＝1， 而||＝||

9、＝， ∴cos〈，〉＝＝， ∵〈，〉∈[0，180]， ∴〈，〉＝60. 又異面直線所成角的范圍是(0，90]， 因此，異面直線A1B與AC所成的角為60. 命題角度2　求空間中的兩點(diǎn)間的距離 例4　如圖，正三棱柱(底面是正三角形的直三棱柱)ABC－A1B1C1的各棱長(zhǎng)都為2，E，F(xiàn)分別是AB，A1C1的中點(diǎn)，求EF的長(zhǎng)． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求線段長(zhǎng) 解　設(shè)＝a，＝b，＝c. 由題意，知|a|＝|b|＝|c|＝2， 且〈a，b〉＝60，〈a，c〉＝〈b，c〉＝90. 因?yàn)椋剑? ＝－＋＋ ＝－a＋b＋c， 所以||2＝2 ＝a2＋

10、b2＋c2＋2 ＝22＋22＋22＋222cos 60 ＝1＋1＋4－1＝5， 所以||＝，即EF＝. 反思與感悟　求解距離問(wèn)題時(shí)，先選擇以兩點(diǎn)為端點(diǎn)的向量，將此向量表示為幾個(gè)向量和的形式，求出這幾個(gè)已知向量的兩兩之間的夾角以及它們的模，利用公式|a|＝求解即可． 跟蹤訓(xùn)練4　在平行六面體ABCD－A1B1C1D1中，AB＝1，AD＝2，AA1＝3，∠BAD＝90，∠BAA1＝∠DAA1＝60，求AC1的長(zhǎng)． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求線段長(zhǎng) 解　因?yàn)椋剑? 所以＝(＋＋)2 ＝2＋2＋＋2(＋＋)． 因?yàn)椤螧AD＝90，∠BAA1＝∠DAA1＝60

11、， 所以＝1＋4＋9＋2(13cos 60＋23cos 60)＝23. 因?yàn)椋絴|2， 所以||2＝23， 則||＝，即AC1＝. 1．對(duì)于向量a，b，c和實(shí)數(shù)λ，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．若ab＝0，則a＝0或b＝0 B．若λa＝0，則λ＝0或a＝0 C．若a2＝b2，則a＝b或a＝－b D．若ab＝ac，則b＝c 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　數(shù)量積的性質(zhì) 答案　B 解析　結(jié)合向量的運(yùn)算，只有B正確． 2．已知向量a，b是平面α內(nèi)的兩個(gè)不相等的非零向量，非零向量c是直線l的一個(gè)方向向量，則“ca＝0且cb＝0”是“l(fā)⊥α”的(　　) A．充分

12、不必要條件 B．必要不充分條件 C．充要條件 D．既不充分又不必要條件 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　數(shù)量積的綜合應(yīng)用 答案　B 解析　若a∥b，則不一定得到l⊥α，反之成立． 3．已知|a|＝2，|b|＝3，〈a，b〉＝60，則|2a－3b|等于(　　) A. B．97 C. D．61 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求線段長(zhǎng) 答案　C 解析　|2a－3b|2＝4a2－12ab＋9b2 ＝422－1223cos60＋932＝61， ∴|2a－3b|＝. 4．已知a，b為兩個(gè)非零空間向量，若|a|＝2，|b|＝，ab＝－，則〈a，b〉＝______

13、__. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求角 答案　 解析　cos〈a，b〉＝＝－，∵〈a，b〉∈[0，π]， ∴〈a，b〉＝. 5．已知正四面體ABCD的棱長(zhǎng)為2，E，F(xiàn)分別為BC，AD的中點(diǎn)，則EF的長(zhǎng)為_(kāi)_______． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求線段長(zhǎng) 答案　 解析　||2＝2＝(＋＋)2 ＝2＋2＋2＋2(＋＋) ＝12＋22＋12＋2(12cos120＋0＋21cos120)＝2， ∴||＝，∴EF的長(zhǎng)為. 1．空間向量運(yùn)算的兩種方法 (1)利用定義：利用ab＝|a||b|cos〈a，b〉并結(jié)合運(yùn)算律進(jìn)行計(jì)算． (

14、2)利用圖形：計(jì)算兩個(gè)數(shù)量的數(shù)量積，可先將各向量移到同一頂點(diǎn)，利用圖形尋找?jiàn)A角，再代入數(shù)量積公式進(jìn)行運(yùn)算． 2．在幾何體中求空間向量數(shù)量積的步驟 (1)首先將各向量分解成已知模和夾角的向量的組合形式． (2)利用向量的運(yùn)算律將數(shù)量積展開(kāi)，轉(zhuǎn)化為已知模和夾角的向量的數(shù)量積． (3)代入ab＝|a||b|cos〈a，b〉求解． 一、選擇題 1．已知非零向量a，b不平行，并且其模相等，則a＋b與a－b之間的關(guān)系是(　　) A．垂直 B．共線 C．不垂直 D．以上都可能 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念與性質(zhì) 題點(diǎn)　數(shù)量積的性質(zhì) 答案　A 解析　由題意知|a|＝|b|， ∵(a

15、＋b)(a－b)＝|a|2－|b|2＝0， ∴(a＋b)⊥(a－b)． 2．已知向量a，b滿足條件：|a|＝2，|b|＝，且a與2b－a互相垂直，則〈a，b〉等于(　　) A．30 B．45 C．60 D．90 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求角 答案　B 解析　根據(jù)a(2b－a)＝0， 即2ab＝|a|2＝4， 解得ab＝2， 又cos〈a，b〉＝＝＝， 又〈a，b〉∈[0，180]， ∴〈a，b〉＝45，故選B. 3．若向量m垂直于向量a和b，向量n＝λa＋μb(λ，μ∈R且λ，μ≠0)，則(　　) A．m∥n B．m⊥n C．m不平行于n，

16、m也不垂直于n D．以上三種情況都有可能 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　數(shù)量積的綜合應(yīng)用 答案　B 4．設(shè)平面上有四個(gè)互異的點(diǎn)A，B，C，D，已知(＋－2)(－)＝0，則△ABC一定是(　　) A．直角三角形 B．等腰三角形 C．等腰直角三角形 D．等邊三角形 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　用定義求數(shù)量積 答案　B 解析　由(＋－2)(－) ＝(－＋－)(－) ＝(＋)(－) ＝||2－||2＝0，得||＝||， 故△ABC為等腰三角形． 5．已知a，b，c是兩兩垂直的單位向量，則|a－2b＋3c|等于(　　) A．14B.C．4D．2 考點(diǎn)　

17、空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求線段長(zhǎng) 答案　B 解析　∵|a－2b＋3c|2＝|a|2＋4|b|2＋9|c|2－4ab＋6ac－12bc＝14， ∴|a－2b＋3c|＝. 6．在長(zhǎng)方體ABCD－A1B1C1D1中，下列向量的數(shù)量積一定不為0的是(　　) A. B. C. D. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　數(shù)量積的性質(zhì) 答案　D 解析　選項(xiàng)A，當(dāng)四邊形ADD1A1為正方形時(shí)，可得AD1⊥A1D，而A1D∥B1C，所以AD1⊥B1C，此時(shí)有＝0； 選項(xiàng)B，當(dāng)四邊形ABCD為正方形時(shí)，可得AC⊥BD， 又AC⊥BB1，BD∩BB1＝B， 可得AC⊥平

18、面BB1D1D，故有AC⊥BD1， 此時(shí)＝0； 選項(xiàng)C，由長(zhǎng)方體的性質(zhì)可得AB⊥平面ADD1A1， 所以AB⊥AD1，所以＝0，故選D. 7．在正方體ABCD－A1B1C1D1中，有下列命題： ①(＋＋)2＝32；②(－)＝0；③與的夾角為60. 其中真命題的個(gè)數(shù)為(　　) A．1B．2C．3D．0 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　數(shù)量積的性質(zhì) 答案　B 解析?、佗谡_；∵與的夾角為120， ∴③不正確，故選B. 二、填空題 8．已知正方體ABCD－A1B1C1D1的棱長(zhǎng)為a，則＝________. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　數(shù)量積的綜合應(yīng)用

19、答案　a2 解析　如圖，＝－， ＝－＝－， ∴ ＝(－)(－) ＝－－＋||2 ＝0－0－0＋a2＝a2. 9．已知空間向量a，b，|a|＝3，|b|＝5，m＝a＋b，n＝a＋λb，〈a，b〉＝135，若m⊥n，則λ的值為_(kāi)_______． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　數(shù)量積的綜合應(yīng)用 答案?。? 解析　由題意知ab＝|a||b|cos〈a，b〉＝35＝－15， 由m⊥n，得(a＋b)(a＋λb)＝0， 即|a|2＋λab＋ab＋λ|b|2 ＝18－15(λ＋1)＋25λ＝0. 解得λ＝－. 10．已知a，b是空間兩個(gè)向量，若|a|＝2，|b|＝2，|a

20、－b|＝，則cos〈a，b〉＝________. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求角 答案　 解析　將|a－b|＝化為(a－b)2＝7，求得ab＝， 再由ab＝|a||b|cos〈a，b〉，求得cos〈a，b〉＝. 11．已知a，b均為單位向量，它們的夾角為60，那么|a＋3b|＝________. 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求線段長(zhǎng) 答案　 解析　∵|a＋3b|2＝(a＋3b)2＝a2＋6ab＋9b2 ＝1＋6cos60＋9＝13， ∴|a＋3b|＝. 三、解答題 12．如圖，在直三棱柱ABC－A′B′C′中，AC＝BC＝AA′，∠

21、ACB＝90，D，E分別為棱AB，BB′的中點(diǎn)． (1)求證：CE⊥A′D； (2)求異面直線CE與AC′所成角的余弦值． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求角 (1)證明　設(shè)＝a，＝b，＝c， 根據(jù)題意得|a|＝|b|＝|c|， 且ab＝bc＝ca＝0， ∴＝b＋c， ＝－c＋b－a， ∴＝－c2＋b2＝0， ∴⊥，即CE⊥A′D. (2)∵＝－a＋c， ||＝|a|，||＝|a|， ＝(－a＋c)＝c2＝|a|2， ∴cos〈，〉＝＝， 即異面直線CE與AC′所成角的余弦值為. 13．等邊△ABC中，P在線段AB上，且＝λ，若＝，則實(shí)數(shù)λ的

22、值為_(kāi)_______． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的概念及性質(zhì) 題點(diǎn)　空間向量數(shù)量積定義 答案　1－ 解析　如圖，＝－＋＝－＋λ， 故＝(λ－) ＝λ||2－||||cos A， ＝(－λ)(1－λ)＝λ(λ－1)||2， 設(shè)||＝a(a＞0)，則a2λ－a2＝λ(λ－1)a2， 解得λ＝1－. 四、探究與拓展 14．已知BB1⊥平面ABC，且△ABC是∠B＝90的等腰直角三角形，平行四邊形ABB1A1，平行四邊形BB1C1C的對(duì)角線都分別相互垂直且相等，若AB＝a，則異面直線BA1與AC所成的角為_(kāi)_______． 考點(diǎn)　空間向量數(shù)量積的應(yīng)用 題點(diǎn)　利用數(shù)量積求角 答案　60 解析　如圖所示，∵＝＋，＝＋， ∴＝(＋)(＋) ＝＋＋＋. ∵AB⊥BC，BB1⊥AB，BB1⊥BC， ∴＝0，＝0，＝0且＝－a2. ∴＝－a2. 又＝||||cos〈，〉， ∴cos〈，〉＝＝－. 又∵〈，〉∈[0，180]，∴〈，〉＝120， 又∵異面直線所成的角是銳角或直角， ∴異面直線BA1與AC所成的角為60.