2025年高考数学一轮复习-7.5-空间向量与线、面位置关系(课件+专项训练)(含解析)

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名称 2025年高考数学一轮复习-7.5-空间向量与线、面位置关系(课件+专项训练)(含解析)
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资源类型 教案
版本资源 通用版
科目 数学
更新时间 2024-07-30 22:36:15

文档简介

(共52张PPT)
7.5 空间向量与线、
面位置关系
课标要求 考情分析
1.会进行空间向量的线性运算. 2.理解共线向量定理与共面向量 定理,并能解决相关问题. 3.会进行向量的数量积运算,能 利用向量的数量积解决向量的夹 角、模以及两向量的垂直问题. 4.会用向量法证明线面的平行、 垂直关系. 考点考法:高考命题常与直线、平面的
平行与垂直以及空间角结合在一起考
查,主要考查如何建立空间直角坐标
系,求点的坐标以及运用公式求解问
题.
核心素养:数学运算、逻辑推理、直观
想象
必备知识 自主排查
核心考点 师生共研
必备知识 自主排查
01
1.空间向量及其有关概念
概念 语言描述
共线向量 (平行向 量) 表示若干空间向量的有向线段所在的直线________________
共面向量 平行于同一个平面的向量
共线向量 定理 对任意两个空间向量 , 存在实数 ,使
______
互相平行或重合

概念 语言描述
共面向量 定理 如果两个向量 , 不共线,那么向量 与向量 , 共面 存在唯一
的有序实数对 ,使
空间向量 基本定理 及推论 定理:如果三个向量 , , 不共面,那么对任意一个空间向量 ,存
在唯一的有序实数组 ,使得 .
推论:设 是不共面的四点,则对平面 内任一点
都存在唯一的三个有序实数 , , ,使
___
[提醒] 空间向量基本定理的3点注意:
1
续表
(1)空间任意三个不共面的向量都可构成空间的一个基底;(2)由于0与任意一个非零向量共线,与任意两个非零向量共面,故0不能作为基向量;(3)基底选定后,空间的所有向量均可由基底唯一表示.
2.空间向量的数量积及坐标运算
(1)两个非零空间向量的数量积
______________;
;
③设 ,则 , .

(2)空间向量运算的坐标表示
项目 , ,
向量和
向量差
数乘向量
数量积 ___________________
共线 , ,
垂直
夹角公式

3.直线的方向向量与平面的法向量
(1)直线的方向向量:如果表示非零向量 的有向线段所在直线与直线
平行或共线,则称此向量 为直线 的方向向量.
(2)平面的法向量:直线 ,取直线 的方向向量 ,则向量 为平面
的法向量.
(3)方向向量和法向量均是非零向量且不唯一.
4.空间位置关系的向量表示
位置关系 向量表示
直线 的方向向量分别为

___________
直线 的方向向量为 ,平面 的法向 量为 __________




位置关系 向量表示
平面 的法向量分别为

__________

续表
【练一练】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)空间中任意两个非零向量 , 共面.( )

(2)对于非零向量 ,由 ,则 .( )
×
(3)若 是空间的一个基底,则 中至多有一个零向量.
( )
×
(4)若 是空间任意四点,则有 .
( )

2.(人A选择性必修第一册 习题 变条件、变设问)若
空间的一个基底,且向量 , ,则可以与 , 构成空间
的另一个基底的向量是( )
A. B. C. D.

解析:选C.由题意知, , , 不共面,对于选项A,
,
, , 共面,排除A;
对于选项B, ,故 , 共面,排
除B;
对于选项D,由选项A得, ,故 , , 共面,排除D.故选C.
3.在空间直角坐标系中,已知 , , , ,则
直线 的位置关系是( )
A.垂直 B.平行 C.异面 D.相交但不垂直
解析:选B.由题意得, ,所以 ,所以 共线,又 没有公共点,所以 .

4.若正四面体 的棱长为2,点 , 分别为 , 的中点,则
长为____.

解析:因为

所以
.
所以 ,所以 的长为 .
1.在平面中, 三点共线的充要条件是: (其中
), 为平面内任意一点.
2.在空间中, 四点共面的充要条件是: (其中 ), 为空间任意一点.
【用一用】
1.已知空间任意一点 和不共线的三点 ,若
,则“ ”是“
四点共面”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件

解析:选A.当 时, ,则 四点共面;而 , , 不止 , , 这一组,故“ ”是“ 四点共面”的充分不必要条件.故选A.
2.(2023·重庆市清华中学模拟)已知四点 ,
,则点 ___平面 .(填“ ”或“ ”)

解析:设 ,

所以 无解,所以点 平面 .
核心考点 师生共研
02
考点一 空间向量的线性运算(自主练透)
1.(多选)如图所示,在四面体 中,点 是棱
的中点,点 在线段 上,点 在线段 上,且
,设
,则下列等式成立的是( )
A. B.
C. D.


解析:选BD.对于A,利用向量的平行四边形法则,
,A错误;
对于B,利用向量的平行四边形法则和三角形法则,得
,B正确;
对于C,因为点 在线段 上,且 ,所以
,C错误;
对于D, ,D正确.故选BD.
2.如图,在长方体 中, 的中点.
(1)化简: _____;

解析: .
(2)用 表示 ,则 _ ________________.

解析:
.
3.如图,已知四棱柱 的底面
为平行四边形, 为棱 的中点,
与平面 交于点
,则 ___.

解析:由题可设
因为
所以 ,因为
四点共面,所以 ,解得
.
空间向量线性运算中的三个关键点
考点二 共线定理、共面定理的应用(师生共研)
例1 (2023·山东聊城模拟)已知 三点不共线,对平面 外的任
一点 ,若点 满足 .
(1)判断 三个向量是否共面;
【解】 由题知
所以

所以 共面.
(2)判断点 是否在平面 内.
【解】 由(1)知, 共面且有公共点
所以 四点共面,即点 在平面 内.
(2023·山东聊城模拟)已知 三点不共线,对平面 外的任
一点 ,若点 满足 .
三点 , , 共线 空间四点 , , , 共面
且同过点 且同过点
对空间任一点 , 对空间任一点 ,

对空间任一点 对空间任一点 ,

证明三点共线和空间四点共面的方法比较
【对点训练】
1.若 , , 三点共线,则 ____.

解析:因为 , ,且 三点共线,
所以存在实数 ,使得 ,
,
所以
解得
所以 .
2.已知 三点不共线,点 为平面 外任意一点,若点 满足
,则点 ______平面 .(填“属于”或“不属于”)
属于
解析:因为

.
因为 ,
所以 , , , 四点共面,即点 平面 .
考点三 空间向量数量积的应用(一题多变)
例2 如图所示,已知空间四面体 的每条棱长都等于1,点
分别是 的中点,计算:
【解】 设 , , .
, .
(1)
【解】 , ,所以 .
如图所示,已知空间四面体 的每条棱长都等于1,点
分别是 的中点,计算:
(2) .
【解】


.
如图所示,已知空间四面体 的每条棱长都等于1,点
分别是 的中点,计算:
【一题多变】
1.(变设问)在本例条件下,求证: .
证明:由例题知 ,所以

.
,即 .
2.(变设问)在本例条件下,求 的长.
解:由例题知 ,
,则 ,即 的长为 .
3.(变设问)在本例条件下,求异面直线 所成角的余弦值.
解:由例题知 , ,
, ,
因为异面直线所成角的范围是
所以异面直线 所成角的余弦值为 .
空间向量数量积的三个应用
求夹角 设向量 所成的角为 ,则 ,进而可求两异
面直线所成的角
求长度(距 离) 运用公式 ,可使线段长度的计算问题转化为向
量数量积的计算问题
解决垂直问 题 利用 ,可将垂直问题转化为
向量数量积的计算问题
【对点训练】
已知空间三点 , , ,设 .
(1)若 互相垂直,求 的值;
解:因为
所以 , .
因为 互相垂直,
所以 ,
解得 .
即当 互相垂直时, .
(2)求 夹角的余弦值.
解: 因为 ,

,
所以 .
所以 夹角的余弦值为 .
考点四 利用空间向量证明平行、垂直(师生共研)
例3 如图,已知 平面 ,
,点 分别为 的中点.
求证:
【证明】 因为 , 的中点,所以 .
因为 平面
所以以 为原点,过 作平行于 的直线,以其为 轴, 所在
直线分别为 轴、 轴,建立空间直角坐标系 ,如图,
因为
所以
所以

.
【证明】 .
设平面 的法向量为
所以 .
因为
所以 .
平面 ,所以 平面 .
(1) 平面
(2)平面 平面 .
【证明】 因为 平面
所以 ,又
所以 平面 ,
所以 为平面 的一个法向量.
由题易证 平面
所以 为平面 的一个法向量.
因为 ,所以
故平面 平面 .
利用空间向量证明空间垂直、平行的一般步骤
(1)建立空间直角坐标系,建系时,要尽可能地利用已知图形中的垂直关系;
(2)建立空间图形与空间向量之间的关系,用空间向量表示出问题中所涉及的点、直线、平面的要素;
(3)通过空间向量的坐标运算研究平行、垂直关系;
(4)根据运算结果解释相关问题.
[注意]运用向量知识判定空间位置关系时,仍然离不开几何定理.如用直线的方向向量与平面的法向量垂直来证明线面平行时,仍需强调直线在平面外.
【对点训练】
如图,在底面为直角梯形的四棱锥 中,
平面 .
解:如图,在平面 内过点 作直线 ,交 于点 ,以
为坐标原点, 所在的直线分别为 轴、 轴、 轴建立空
间直角坐标系,
, , , .设 ,则 ,
(1)求证: .
证明: ,
因为 ,所以 .
(2)设点 在棱 上, ,若 平面 ,求 的值.
证明: 由题意知, , , ,
.
因为 ,所以 ,
.
为平面 的法向量,
,得 ,所以 .因为 平面 ,所以 ,所以 ,即 .因为 ,所以 .2025年高考数学一轮复习-7.5-空间向量与线、面位置关系-专项训练
一、基本技能练
1.如图所示,平面α∩平面β=l,A∈α,B∈α,AB∩l=D,C∈β,C l,则平面ABC与平面β的交线是(  )
A.直线AC B.直线AB
C.直线CD D.直线BC
2.设α,β为两个不同的平面,直线l α,则“l∥β”是“α∥β”的(  )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
.3.设m,n是两条不同的直线,α是平面,m,n不在α内,下列结论中错误的是(  )
A.m⊥α,n∥α,则m⊥n B.m⊥α,n⊥α,则m∥n
C.m⊥α,m⊥n,则n∥α D.m⊥n,n∥α,则m⊥α
4.如图,点N为正方形ABCD的中心,△ECD为正三角形,平面ECD⊥平面ABCD,M是线段ED的中点,则(  )
A.BM=EN,且直线BM,EN是相交直线
B.BM≠EN,且直线BM,EN是相交直线
C.BM=EN,且直线BM,EN是异面直线
D.BM≠EN,且直线BM,EN是异面直线
5.一个正方体的平面展开图及该正方体的直观图如图所示,在正方体中,设BC的中点为M,GH的中点为N,下列结论正确的是(  )
A.MN∥平面ABE B.MN∥平面ADE
C.MN∥平面BDH D.MN∥平面CDE
6.(多选)已知m,n是两条不同的直线,α,β,γ是三个不同的平面.下列说法中正确的是(  )
A.若m∥α,m β,α∩β=n,则m∥n
B.若m∥n,m∥α,则n∥α
C.若α∩β=n,α⊥γ,β⊥γ,则n⊥γ
D.若m⊥α,m⊥β,α∥γ,则β∥γ
7.如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,E为AD的中点,点F在CD上,若EF∥平面AB1C,则EF=________.
8.已知M是正方体ABCD-A1B1C1D1的棱DD1的中点,则下列命题是真命题的有________(填序号).
①过点M有且只有一条直线与直线AB,B1C1都相交;
②过点M有且只有一条直线与直线AB,B1C1都垂直;
③过点M有且只有一个平面与直线AB,B1C1都相交;
④过点M有且只有一个平面与直线AB,B1C1都平行.
9.如图,正方体的底面与正四面体的底面在同一平面α上,且AB∥CD,若正方体的六个面所在的平面与直线CE,EF相交的平面个数分别记为m,n,则m=________;n=________.
10.四棱锥P-ABCD的底面是边长为1的正方形,如图所示,点E是棱PD上一点,PE=3ED,若=λ且满足BF∥平面ACE,则λ=________.
11.如图,在三棱锥P-ABC中,AB=AC,D为BC的中点,PO⊥平面ABC,垂足O落在线段AD上.已知BC=8,PO=4,AO=3,OD=2.
(1)证明:AP⊥BC;
(2)若点M是线段AP上一点,且AM=3.试证明平面AMC⊥平面BMC.
12.如图,过四棱柱ABCD-A1B1C1D1形木块上底面内的一点P和下底面的对角线BD将木块锯开,得到截面BDEF.
(1)请在木块的上表面作出过点P的锯线EF,并说明理由;
(2)若该四棱柱的底面为菱形,四边形BB1D1D是矩形,试证明:平面BDEF⊥平面ACC1A1.
二、创新拓展练
13.(多选)如图,点P在正方体ABCD-A1B1C1D1的面对角线BC1上运动,则下列结论正确的是(  )
A.三棱锥A-D1PC的体积不变 B.A1P∥平面ACD1
C.DP⊥BC1 D.平面PDB1⊥平面ACD1
14.(多选)在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AD=AA1,则下列结论中正确的是(  )
A.平面A1B1CD⊥平面BC1D
B.在直线A1C上存在一点R使得D1R⊥平面BC1D
C.平面A1B1CD上存在一点P使得D1P∥平面BC1D
D.在直线A1C上存在一点Q使得D1Q∥平面BC1D
15.如图,平面ABC⊥平面BCDE,四边形BCDE为矩形,BE=2,BC=4,△ABC的面积为2,点P为线段DE上一点,当三棱锥P-ACE的体积为时,=________.
16.如图,直三棱柱ABC-A1B1C1中,AC=BC=1,∠ACB=90°,D是A1B1的中点,F在棱BB1上.
(1)求证:C1D⊥平面AA1B1B;
(2)在下列给出的三个条件中选取两个条件,并说明能否证明AB1⊥平面C1DF.
①F为BB1的中点;②AB1=;
③AA1=.
注:如果选择多种情况分别解答,那么按第一个解答计分.
参考答案与解析
一、基本技能练
1.答案 C
解析 由题意知,D∈l,l β,∴D∈β.
又D∈AB,∴D∈平面ABC,
∴点D在平面ABC与平面β的交线上,
又C∈平面ABC,C∈β,
∴点C在平面β与平面ABC的交线上,
∴平面ABC∩平面β=直线CD.
2.答案 B
解析 只有l∥β不能推出α∥β,但α∥β时,可以得到l∥β.
3.答案 D
解析 对于A,∵n∥α,由线面平行的性质定理可知,过直线n的平面β与平面α的交线l平行于n,
∵m⊥α,l α,∴m⊥l,∴m⊥n,故A正确;
对于B,若m⊥α,n⊥α,由直线与平面垂直的性质,可得m∥n,故B正确;
对于C,若m⊥α,m⊥n,
则n∥α或n α,又n α,
∴n∥α,故C正确;
对于D,若m⊥n,n∥α,则m∥α或m与α相交或m α,而m α,则m∥α或m与α相交,故D错误.
4.答案 B
解析 因为N为正方形ABCD的中心,
△ECD为正三角形,平面ECD⊥平面ABCD,
M是线段ED的中点,连接BD,
所以BM 平面BDE,EN 平面BDE,
又BM是△BDE中DE边上的中线,
EN是△BDE中BD边上的中线,
所以BM,EN是相交直线,
设DE=a,则BD=a,
BE==a,
所以BM=a,EN==a,
所以BM≠EN.
5.答案 C
解析 如图,连接BD,取BD的中点O,连接OM,OH,AC,BH,MN.
因为M,N分别是BC,GH的中点,
所以OM∥CD,且OM=CD,NH∥CD,且NH=CD,
所以OM∥NH且OM=NH,
所以四边形MNHO是平行四边形,
所以OH∥MN.
又MN 平面BDH,OH 平面BDH,所以MN∥平面BDH,故选C.
6.答案 ACD
解析 由线面平行的性质定理可知:
选项A正确;
若m∥n,m∥α,则n∥α或n α,所以选项B错误;
如图,设α∩γ=l,β∩γ=m,在平面γ内取一点A,过点A分别作AB⊥l,AC⊥m,
垂足分别为B,C,
因为α⊥γ,α∩γ=l,AB⊥l,AB γ,
所以AB⊥α,因为n α,
所以AB⊥n,同理可得AC⊥n,
因为AB∩AC=A,所以n⊥γ,所以选项C正确;
因为m⊥α,m⊥β,所以α∥β,又α∥γ,
所以β∥γ,所以选项D正确.故选ACD.
7.答案 
解析 根据题意,因为EF∥平面AB1C,EF 平面ACD,平面ACD∩平面AB1C=AC,
所以EF∥AC.又E是AD的中点,
所以F是CD的中点.
因为在Rt△DEF中,DE=DF=1,故EF=.
8.答案 ①②④
解析 在AB上任取一点P,则平面PMC1与AB,B1C1都相交,这样的平面有无数个,因此③是假命题.①②④均是真命题.
9.答案 4 4
解析 直线CE 平面ABPQ,
从而CE∥平面A1B1P1Q1,
易知CE与正方体的其余四个面所在平面均相交,
则m=4.
取CD的中点G,连接FG,EG.
易证CD⊥平面EGF,
又AB⊥平面BPP1B1,AB⊥平面AQQ1A1且AB∥CD,
从而平面EGF∥平面BPP1B1∥平面AQQ1A1,
∴EF∥平面BPP1B1,EF∥平面AQQ1A1,
则EF与正方体其余四个面所在平面均相交,n=4.
10.答案 
解析 如图,连接BD,交AC于点O,连接OE,在线段PE取一点G使得GE=ED.
连接BG,则BG∥OE.
又因为OE 平面AEC,BG 平面AEC,所以BG∥平面AEC.
因为BF∥平面ACE且满足BG∩BF=B,故平面BGF∥平面AEC.
因为平面PCD∩平面BGF=GF,平面PCD∩平面AEC=EC,则GF∥EC.
所以==,即λ=为所求.
11..证明 (1)以O为坐标原点,以射线OD为y轴正半轴,射线OP为z轴正半轴建立如图所示的空间直角坐标系O-xyz.
则O(0,0,0),A(0,-3,0),B(4,2,0),C(-4,2,0),P(0,0,4).
于是=(0,3,4),=(-8,0,0),
所以·=(0,3,4)·(-8,0,0)=0,
所以⊥,即AP⊥BC.
(2)由(1)知AP=5,又AM=3,且点M在线段AP上,
所以==,
又=(-4,-5,0),
所以=+=,
则·=(0,3,4)·=0,
所以⊥,即AP⊥BM,
又根据(1)的结论知AP⊥BC,
且BC∩BM=B,BC,BM 平面BMC,
所以AP⊥平面BMC,
于是AM⊥平面BMC.
又AM 平面AMC,
故平面AMC⊥平面BMC.
12.(1)解 在上底面内过点P作B1D1的平行线分别交A1D1,A1B1于E,F两点,则EF为所作的锯线.
在四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,侧棱B1B∥D1D,B1B=D1D,
所以四边形BB1D1D是平行四边形,
B1D1∥BD.
又EF∥B1D1,
所以EF∥BD,故EF为截面BDEF与平面A1B1C1D1的交线,故EF为所作锯线.如图所示.
(2)证明 由于四边形BB1D1D是矩形,
所以BD⊥B1B.
又A1A∥B1B,所以BD⊥A1A.
又四棱柱的底面为菱形,所以BD⊥AC.
因为AC∩A1A=A,AC,A1A 平面A1C1CA,所以BD⊥平面A1C1CA.
因为BD 平面BDEF,
所以平面BDEF⊥平面A1C1CA.
二、创新拓展练
13.(多选)答案 ABD
解析 对于A,由题意知AD1∥BC1,从而BC1∥平面AD1C,故BC1上任意一点到平面AD1C的距离均相等,
所以以P为顶点,平面AD1C为底面,则三棱锥A-D1PC的体积不变,故A正确;
对于B,连接A1B,A1C1,则A1C1∥AC,由A知:AD1∥BC1,
所以平面BA1C1∥平面ACD1,从而有A1P∥平面ACD1,故B正确;
对于C,由于DC⊥平面BCC1B1,所以DC⊥BC1,
若DP⊥BC1,则BC1⊥平面DCP,
所以BC1⊥PC,则P为中点,与P为动点矛盾,故C错误;
对于D,连接DB1,由DB1⊥AC且DB1⊥AD1,
可得DB1⊥平面ACD1,从而由面面垂直的判定知,平面PDB1⊥平面ACD1,故D正确.
14.答案 ACD
解析 对于A,可以证明BC1⊥平面A1B1CD,从而平面A1B1CD⊥平面BC1D.
对于B,过点A1作A1S⊥OD于点S,
因为平面A1B1CD⊥平面BC1D,
所以A1S⊥平面BC1D,
设R为直线A1C上任意一点,连接PR,D1R,
则A1S,D1R一定为异面直线,
所以不存在直线A1C上的一点R使得D1R⊥平面BC1D.
对于C,设A1D∩AD1=P,则P为平面A1B1CD上的一点,满足D1P∥平面BC1D.
对于D,设B1C∩BC1=O,连接DO,过点P作PQ∥DO交A1C于Q,连接D1Q,
可以证明平面PQD1∥平面BC1D,
所以存在直线A1C上的一点Q,使得D1Q∥平面BC1D.
故选ACD.
15.答案 
解析 如图,过A作AF⊥CB的延长线,垂足为F,
∵平面ABC⊥平面BCDE,平面ABC∩平面BCDE=BC,
∴AF⊥平面BCDE,
由BE=2,BC=4,△ABC的面积为2,得BC·AF=2,
∴AF=,
在DE上取一点P,连接AP,CP,AD,
∵VP-ACE=VA-PCE=××PE×CD×AF=.
∴PE=1,∴=.
16.(1)证明 在直三棱柱ABC-A1B1C1中,依题意有A1C1=B1C1=1,
且∠A1C1B1=90°,
又D是A1B1的中点,则C1D⊥A1B1,
又AA1⊥平面A1B1C1,C1D 平面A1B1C1,所以AA1⊥C1D,
又A1B1∩AA1=A1,
A1B1 平面AA1B1B,
AA1 平面AA1B1B,
所以C1D⊥平面AA1B1B.
(2)解 若选①③,则能证明AB1⊥平面C1DF,理由如下.
连接A1B,如图,
则DF∥A1B,
在△ABC中,AC=BC=1,∠ACB=90°,则AB=,又AA1=,于是得四边形AA1B1B为正方形.
所以A1B⊥AB1,从而有DF⊥AB1.
因为C1D⊥平面AA1B1B,
AB1 平面AA1B1B,
所以C1D⊥AB1,
又DF∩C1D=D,C1D 平面C1DF,
DF 平面C1DF,
所以AB1⊥平面C1DF.
若选①②,则不能证明AB1⊥平面C1DF,理由如下.
连接A1B(图略),则DF∥A1B,在△ABC中,AC=BC=1,∠ACB=90°,
则AB=,AA1==1,
则A1B与AB1不垂直,
即DF与AB1不垂直,
所以AB1不垂直于平面C1DF.
若选②③,则不能证明AB1⊥平面C1DF,理由如下.
在△ABC中,AC=BC=1,∠ACB=90°,则AB=,又AB1==2≠,矛盾,
所以不能证明AB1⊥平面C1DF.
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