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利用空间向量求空间角教案设计

利用空间向量求空间角
一、高考考纲要求:
能用向量方法解决异面直线的夹角、线面角、面面角问题.体会向量法在立体几何中的应用.
二、命题趋势:
在高考中,本部分知识是考查的重点内容之一,主要考查异面直线所成角、线面角、面面角的计算,属中档题,综合性较强,与平行垂直联系较多.
三、教学目标
知识与技能:能用向量法熟练解决异面直线的夹角、线面角、面面角的计算问题,了解向量法在研究立体几何问题中的应用;
过程与方法:通过向量这个载体,实现“几何问题代数化”的思想,进一步发展学生的空间想象能力和几何直观能力; 情感态度价值观:通过数形结合的思想和方法的应用,进一步让学生感受和体会空间直角坐标系,方向向量,法向量的魅力.
四、教学重难点
重点:用向量法求空间角——线线角、线面角、二面角; 难点:将立体几何问题转化为向量问题.
五、教学过程
(一)空间角公式
1、异面直线所成角公式:如图,设异面直线l ,m 的方向向量分别为a r ,b r
,异面直线l ,m
2、线面角公式:设直线l 为平面α的斜线,a r 为l 的方向向量,n r
为平面α的法向量,θ为
l 与α所成的角,则sin cos ,a n θ==r
r
a n a n
⋅r r r r .
3、面面角公式:设1n r ,2n r 分别为平面α、β的法向量,二面角为θ,则12,n n θ=r r

12,n n θπ=-r r
(需要根据具体情况判断相等或互补)
,其中121212
cos ,n n n n n n ⋅=r r
r r r r .
α
θ
O
n
r a
(二)典例分析
如图,已知:在直角梯形OABC 中,//OA BC ,90AOC ∠=o
,SO ⊥面OABC ,且
1,2OS OC BC OA ====.求:
(1)异面直线SA 和OB 所成的角的余弦值; (2)OS 与面SAB 所成角α的正弦值; (3)二面角B AS O --的余弦值.
解:如图建立空间直角坐标系,则(0,0,0)O ,
(2,0,0)A ,(1,1,0)B ,(0,1,0)C ,(0,0,1)S ,
于是我们有(2,0,1)SA =-u u r ,(1,1,0)AB =-u u u r ,(1,1,0)OB =u u u r ,(0,0,1)OS =u u u r

(1)cos ,5SA OB SA OB SA OB
⋅==
=u u r u u u r
u u r u u u r u u r u u u r , 所以异面直线SA 和OB 所成的角的余弦值为5
. (2)设平面SAB 的法向量(,,)n x y z =r

则0,0,
n AB n SA ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩r u u u r r u u r
,即0,20.x y x z -+=⎧⎨-=⎩ 取1x =,则1y =,2z =,所以(1,1,2)n =r

sin cos ,3OS n OS n OS n α⋅∴===
=u u u r r
u u u r r u u u r r . (3)由(2)知平面SAB 的法向量1(1,1,2)n =u r

又OC ⊥Q 平面AOS ,OC ∴u u u r
是平面AOS 的法向量,
令2(0,1,0)n OC ==u u r u u u r ,则有121212
cos ,n n n n n n ⋅==
=u r u u r
u r u u r u r u u r . ∴二面角B AS O --O
A
B
C
S
(三)巩固练习
1、在长方体1111ABCD A B C D -中,2AB =,11BC AA ==,点E 、F 分别11A C ,1AD 的中点,求:
(1)异面直线EF 和CD 所成的角的余弦值;(2)11D C 与平面11A BC 所成角的正弦值; (3)平面11A BC 与平面ABCD 所成的锐二面角的余弦值.
解析:以D 为原点,分别以射线DA ,DC ,1DD ,为x 轴、y 轴、z 轴的非负半轴建立空间直角坐标系D xyz -,由于2AB =,11BC AA ==,所以(0,0,0)D ,(0,2,0)C ,
1(,1,1)2E ,11(,0,)22F ,1(1,0,1)A ,
(1,2,0)B ,1(0,2,1)C ,1(0,0,1)D ,则1
(0,1,)2EF =--u u u r ,(0,2,0)DC =u u u r ,11(1,2,0)AC =-u u u u r ,1(1,0,1)BC =-u u u u r ,11(0,2,0)DC =u u u u r .
(1
)cos ,5EF DC EF DC EF DC
⋅==-
u u u r u u u r
u u u r u u u r u u u r u u u r ∴异面直线EF 和CD
所成的角余弦值为
5
; (2)设平面11A BC 的法向量(,,)n x y z =r
,则有
则1110,0,
n A C n BC ⎧⋅=⎪⎨⋅=⎪⎩r u u u u r r u u u u r
,即20,0.x y x z -+=⎧⎨-+=⎩ 令2x =,则1y =,2z =,所以(2,1,2)n =r

又设11D C 与平面11A BC 所成的角为θ,
则11111121
sin cos ,233D C n D C n D C n θ⋅===
=⨯u u u u r r
u u u u r r u u u u r r . (3)由(2)知平面11A BC 的法向量1(2,1,2)n =r

又1DD ⊥Q 平面ABCD ,1DD ∴u u u u r
是平面ABCD 的法向量,
令21(0,0,1)n DD ==u u r u u u u r ,则12121222
cos ,313
n n n n n n ⋅
==
=⨯u r u u r
u r u u r u r u u r . 故所成的锐二面角的余弦值为
23
. 2、如图所示,四棱锥P ABCD -,ABC ∆为边长为2的正三角形,3CD =,1AD =,
PO 垂直于平面ABCD 于O ,O 为AC 的中点,1PO =,求:
(1)异面直线AB 与PC 所成角的余弦值; (2)平面PAB 与平面PCD 所成二面角的余弦值.
解:(Ⅰ)如图,以A 为坐标原点建立空间直角坐标系A −xyz ,
因为AD =1,CD =3,AC =2, 所以AD ⊥CD ,∠DAC =π
3
, ∴AD ∥BC .
(000)A ,,,(310)B -,,,(310)C ,,
,(010)D ,,, 3102O ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭,,,3112P ⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭,,, 则(310)AB =-u u u r ,,,3112CP ⎛⎫
=-- ⎪ ⎪⎝⎭
u u u r ,,,
∴2
cos ||||22
AB CP AB CP AB CP 〈〉===-⨯⨯u u u r u u u r
u u u r u u u r g u u u r u u u r ,,
∴异面直线AB 与PC 所成角的余弦值为
2.
(Ⅱ)设平面PAB 法向量为1n r
=(x 1,y 1,z 1),
可得11111
1
02
0y z y ++=-=,, 令11x =
,则1(1n =r

又1100)2DP DC ⎫=-=⎪⎪⎝⎭
u u u r u u u r ,,,, 设平面PCD 法向量为2222()n x y z =r
,,,
可得2222
1
020y z -+==,,
令21y =,则2n r =1012⎛
⎫ ⎪⎝⎭,,,则
121212cos =||||n n n n n n 〈〉r r
g r r
r r ,.
∴平面PAB 与平面PCD
(四)课堂小结
1.用向量来求空间角,都需将各类角转化成对应向量的夹角来计算,问题的关键在于确定对应线段的向量.
2.合理建立空间直角坐标系
(1)一般来说,如果已知的空间几何体中含有两两垂直且交于一点的三条直线时,就以这三条直线为坐标轴建立空间直角坐标系;如果不存在这样的三条直线,则应尽可能找两条垂直相交的直线,以其为两条坐标轴建立空间直角坐标系,即坐标系建立时以其中的垂直相交直线为基本出发点.
(2)建系的基本思想是寻找其中的线线垂直关系,在没有现成的垂直关系时要通过其他已知条件得到垂直关系,在此基础上选择一个合理的位置建立空间直角坐标系.
[易错防范]
1.利用向量求角,一定要注意将向量夹角转化为各空间角.因为向量夹角与各空间角的定义、范围不同.
2.求二面角要根据图形确定所求角是锐角还是钝角.
(五)课后作业
三维设计——课时跟踪检测(四十八)。

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