空间直角坐标系的构建与点的坐标的确定
利用空间向量的方法解决立体几何问题,关键是依托图形建立空间直角坐标系,将其他向量用坐标表示,通过向量运算,判定或证明空间元素的位置关系,以及空间角、空间距离问题的探求.所以如何建立空间直角坐标系显得非常重要,下面简述空间建系的五种方法,希望同学们面对空间几何问题能做到有的放矢,化解自如.
题型一 空间直角坐标系的构建
1.建立空间直角坐标系的方法
(1)利用共顶点的互相垂直的三条棱构建空间直角坐标系;
(2)利用线面垂直关系构建空间直角坐标系;
(3)利用面面垂直关系构建空间直角坐标系;
(4)利用底面中心与高所在的直线,构建空间直角坐标系;
(5)利用底面正三角形构建空间直角坐标系.
2.建立空间直角坐标系的原则
无论利用哪种关系建系,都应遵循与求解问题相关的元素尽可能在坐标轴上或坐标面上,这样便于计算点的坐标(空间向量的坐标),减少运算量.
[典例1] 如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,AD∥BC,AB=AD=AC=3,PA=BC=4,M为线段AD上一点,AM=2MD,N为PC的中点.求直线AN与平面PMN所成角的正弦值.
[解] 取BC的中点E,连接AE.
由AB=AC得AE⊥BC,又AD∥BC,
从而AE⊥AD,AE=
==.
以A为坐标原点,的方向为x轴正方向,建立如图所示的空间直角坐标系.
由题意知,P(0,0,4),M(0,2,0),C(,2,0),N=(0,2,-4),==.设n=(x,y,z)为平面PMN的法向量,
则即
令z=1,则y=2,x=0,
则n=(0,2,1)为平面PMN的一个法向量.
于是|cos 〈n,〉|==.
设AN与平面PMN所成的角为θ,则sin θ=,
所以直线AN与平面PMN所成角的正弦值为.
反思领悟 本例需要建立空间直角坐标系,而题目本身没有明显的共点的三条互相垂直的直线,认真观察题目条件AB=AC,取BC的中点E可得AE⊥BC,BC∥AD,就可得三条共点的两两垂直的直线,从而达到建立空间直角坐标系的目的.
巩固迁移1 (2024·安徽合肥三模)如图,已知四棱锥S-ABCD中,点S在平面ABCD内的投影为点A,∠CDA=∠DCB=2∠DCA=90°,BC=2AD=4.
(1)求证:平面SAC⊥平面SAB;
(2)若平面SAB与平面SCD所成角的正弦值为,求SA的值.
[解] (1)证明:设BC中点为E,连接AE,
因为∠CDA=∠DCB=2∠DCA=90°,且AD=CD,故四边形ADCE为正方形,
而AC==2,AE=2,AB==2,
所以BC2=AB2+AC2,所以AB⊥AC,
因为SA⊥平面ABCD,AC 平面ABCD,
所以SA⊥AC,又SA,AB 平面SAB,SA∩AB=A,
所以AC⊥平面SAB,因为AC 平面SAC,
所以平面SAC⊥平面SAB.
(2)以A为坐标原点,AE,AD,AS所在直线分别为x,y,z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,设SA=a(a>0),则C(2,2,0),D(0,2,0),B(2,-2,0),S(0,0,a),
所以=(0,2,-a),=(2,0,0),
设平面SCD的法向量为n=(x,y,z),
则
即令z=2,所以n=(0,a,2),
由(1)知,平面SAB的法向量为=(2,2,0),
设平面SAB与平面SCD所成角为θ,则sin θ=,
所以cos θ==,
即|cos〈,n〉|===,解得a=(舍负),
所以SA=.
题型二 确定空间直角坐标系中点的坐标
求点的坐标和设点的坐标方法是一致的,常见方法具体如下:
(1)射影法:看所求点在x,y,z轴上的射影对应的数值.
如图,求点P横坐标x,则过点P作PP1⊥平面Oxy,再过点P1作P1P2⊥x轴,点P2对应数值即是x,同理可求纵坐标y与竖坐标z,或直接构造长方体OP,即求出线段P1P3,P1P2,PP1的长度,再注意正负号即可得点P坐标.
一般地,点在平面Oxy,Oyz,Ozx上或易得点在x,y,z轴的射影时均适合用射影法.
(2)公式法:对中点、n等分点、重心等点可用公式法求其坐标.
若点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),C(x3,y3,z3),
则线段AB的中点坐标为;三角形ABC的重心为;
若点P在线段AB上且AP=λPB,则
P.
(3)向量法:
①利用平行、垂直关系求某向量的坐标,再求点的坐标.
②利用三角形法则或平行四边形法则,求出某向量的坐标,再求点的坐标.
③三点共线问题:若点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),点C在线段AB上,则可设=λ,C(x,y,z),利用待定系数法求出x,y,z.
(4)待定系数法:设点P(x,y,z),利用已知条件求出x,y,z.
以上各方法其实也是相通的,也存在其他一些灵活的处理方法(比如平移法等),都需要先理解再灵活运用.
[典例2] 如图,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD是矩形,AB=4,AD=2,平行六面体高为2,顶点D在底面A1B1C1D1的射影O是C1D1的中点,设△AB1D1的重心为G,N为DD1上的点,且ON⊥DD1,试建立适当的空间直角坐标系并写出下列点的坐标.
(1)A1,B1,A,D1;(2)G;(3)B;(4)N.
[解] (1)如图所示,以O为坐标原点,分别以OC1,OD所在直线为y,z轴,以过点O且平行于B1C1的直线为x轴建立空间直角坐标系.
设点A1(x,y,z),因为点A1在平面Oxy上,则z=0,
由图可知它在y轴上的射影点D1对应数值-2,则y=-2,在x轴上的射影点对应数值2,则x=2,即A1(2,-2,0).同理得B1(2,2,0),A(2,0,2),D1(0,-2,0).
(2)∵G是△AB1D1的重心,
∴G,
即G.
(3)设B(x1,y1,z1),则=(x1-2,y1-2,z1),又D(0,0,2),=(0,2,2),
且=,∴x1=2,y1=4,z1=2,
∴点B坐标为(2,4,2).
(4)∵D1,N,D三点共线,可设=λ,
即=λ(0,2,2)=(0,2λ,2λ),
∴==(0,2λ-2,2λ),
∴N(0,2λ-2,2λ),
∵ON⊥DD1,∴·=0,
∴0+4(λ-1)+12λ=0,
解得λ=,故N.
巩固迁移2 如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为2的菱形,∠BAD=60°,∠APD=90°,且PA=PD,AD=PB.
(1)求证:AD⊥PB;
(2)求点A到平面PBC的距离.
[解] (1)证明:取AD的中点O,连接OP,OB,BD,
因为底面ABCD为菱形,∠BAD=60°,
所以AD=AB=BD.
因为O为AD的中点,所以BO⊥AD.
在△PAD中,PA=PD,O为AD的中点,
所以PO⊥AD.
因为BO∩PO=O,BO,PO 平面POB,
所以AD⊥平面POB.
因为PB 平面POB,所以AD⊥PB.
(2)由题意及(1)易知OP=1,BO=,又PB=2,
所以OP2+BO2=PB2,所以OP⊥OB,
所以OP,OA,OB两两垂直,如图建立空间直角坐标系,
则A(1,0,0),B(0,,0),
C(-2,,0),P(0,0,1),
所以=(-1,0,1),=(0,,-1),
=(-2,,-1),
设平面PBC的法向量为n=(x,y,z),
则
所以
不妨取y=1,则n=(0,1,),
所以点A到平面PBC的距离d==.
进阶训练(十) 空间直角坐标系的构建与点的坐标的确定
1.(2025·成都模拟)如图,四边形ABCD和ADPQ均为正方形,它们所在的平面互相垂直,M,E,F分别为PQ,AB,BC的中点,则异面直线EM与AF所成角的余弦值是( )
A. B.
C.- D.
A [由题设易知,AB,AD,AQ两两垂直.以A为原点,AB,AD,AQ所在直线分别为x,y,z轴,建立空间直角坐标系(图略),
设正方形边长为2,
则A(0,0,0),E(1,0,0),M(0,1,2),F (2,1,0),
=(-1,1,2),=(2,1,0),
cos 〈〉===,则异面直线EM与AF所成角的余弦值为.]
2.(2025·莆田模拟)在三棱锥P-ABC中,PA,PB,PC两两垂直,且PA=PB=PC=2.若M为该三棱锥外接球上的一点,则·的最大值为( )
A.2 B.4
C.2+2 D.4+2
C [如图,将三棱锥放置在正方体中,三棱锥的外接球就是正方体的外接球,
球心O为正方体体对角线的交点,建系如图,
则P(0,0,0),A(2,0,0),B(0,2,0),C(0,0,2),O(1,1,1),
设M(x,y,z),三棱锥外接球的半径为R,
则2R==2,故R=,
则·=()·()=+()··,
又=R2=3,=(-1,1,-1),=(-1,-1,1),
所以=(-2,0,0),·=1-1-1=-1,
则()·=||||cos 〈〉=2cos 〈〉,
所以·=2+2cos 〈〉,
故当cos 〈〉=1时,·取得最大值2+2.故选C.]
3.(2025·贵阳模拟)如图,四棱锥P-ABCD中,PB⊥平面ABCD,底面ABCD为直角梯形,AD∥BC,AB⊥BC,AB=AD=PB=3,点E在棱PA上,且PE=2EA,则平面ABE与平面BED夹角的余弦值为( )
A. B.
C. D.
B [如图,以B为坐标原点,分别以BC,BA,BP所在直线为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系,
则B(0,0,0),A(0,3,0),P(0,0,3),D(3,3,0),E(0,2,1),
∴=(0,2,1),=(3,3,0).
设平面BED的法向量为n=(x,y,z),
则
取z=1,得n=为平面BED的一个法向量.
又平面ABE的法向量为m=(1,0,0),
∴cos 〈n,m〉===.
∴平面ABE与平面BED夹角的余弦值为.]
4.(多选)(2025·铜川印台区模拟)如图,四边形ABCD,ABEF都是边长为2的正方形,平面ABCD⊥平面ABEF,P,Q分别是线段AE,BD的中点,则( )
A.PQ∥DF
B.异面直线AQ,PF所成角为
C.点P到直线DF的距离为
D.△DFQ的面积是
ACD [由题可得,AB,AD,AF两两垂直,
以A为坐标原点,AD,AB,AF所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系如图所示,
则A(0,0,0),B(0,2,0),D(2,0,0),E(0,2,2),
F (0,0,2).
对于A,因为P,Q分别是线段AE,BD的中点,所以P(0,1,1),Q(1,1,0),
所以=(1,0,-1),=(-2,0,2)=-2,又PQ,DF不共线,所以PQ∥DF,故A正确;
对于B,=(1,1,0),=(0,-1,1),设异面直线AQ,PF所成角为θ,
则cos θ=|cos 〈〉|===,
又因为θ∈,所以θ=,即异面直线AQ,PF所成角为,故B错误;
对于C,由=(0,-1,1),=(-2,0,2),得==,
所以点P到直线DF的距离为
==,故C正确;
对于D,因为PQ∥DF,所以Q到DF的距离即为P到DF的距离,
所以△DFQ的面积S=||×=,故D正确.
故选ACD.]
5.(2024·衡水中学月考)如图,已知四棱锥P-ABCD的底面是菱形,对角线AC,BD交于点O,OA=4,OB=3,OP=4,OP⊥底面ABCD.设点M满足=λ(λ>0),当λ=时,直线PA与平面BDM所成角的正弦值是________.
[以O为坐标原点,的方向分别为x轴、y轴、z轴的正方向建立空间直角坐标系(图略),
则P(0,0,4),A(4,0,0),D(0,-3,0),B(0,3,0),C(-4,0,0),=(4,0,-4),=(0,6,0),
当λ=时,得M,
所以=.
设平面DBM的法向量为n=(x,y,z),
则
解得y=0,令x=2,则z=1,
所以n=(2,0,1)为平面DBM的一个法向量.
因为|cos 〈,n〉|===,
所以直线PA与平面BDM所成角的正弦值为.]
6.(2025·滕州模拟)如图,四棱锥F-ABCD的底面ABCD是菱形,其对角线AC=2,BD=.若CF⊥平面ABCD,CF=2,则平面BAF与平面AFD夹角的大小为________.
[过点A作AE⊥平面ABCD,以A为坐标原点,的方向分别为x轴、y轴、z轴的正方向建立如图所示的空间直角坐标系.
所以B,D,F (0,2,2).
设平面BAF的法向量为n1=(x,y,z),
则由得
令z=1,得所以n1=(-,-1,1)为平面BAF的一个法向量.
同理,可求得平面AFD的一个法向量为n2=(,-1,1).
由n1·n2=0,知平面BAF与平面AFD垂直,
所以平面BAF与平面AFD夹角的大小为.]
7.(2024·杭州二中月考)在底面为直角梯形的四棱锥S-ABCD中,∠ABC=90°,SA⊥平面ABCD,SA=AB=BC=1,AD=,则平面SCD与平面SAB夹角的余弦值为________.
[以A为坐标原点,AD,AB,AS所在直线分别为x轴、y轴、z轴,建立如图所示的空间直角坐标系,
则A(0,0,0),D,C(1,1,0),S(0,0,1),
平面SAB的一个法向量为=,
并求得平面SCD的一个法向量为n=,
则cos 〈,n〉==.
即平面SCD与平面SAB夹角的余弦值为.]
8.(2025·枣庄模拟)在四棱锥V-ABCD中,底面ABCD是正方形,侧面VAD是正三角形,平面VAD⊥底面ABCD.
(1)证明:AB⊥平面VAD;
(2)求二面角A-VD-B的平面角的余弦值.
[解] (1)证明:取AD的中点O作为坐标原点,
由题意知,VO⊥底面ABCD,
则可建立如图所示的空间直角坐标系.
设AD=2,则A(1,0,0),
D(-1,0,0),B(1,2,0),
V(0,0,).
易得=(0,2,0),=(1,0,-).
∵·=(0,2,0)·(1,0,-)=0,
∴⊥,即AB⊥VA.
又AB⊥AD,AD∩VA=A,AD,VA 平面VAD,∴AB⊥平面VAD.
(2)易得=(1,0,).
设E为DV的中点,连接EA,EB,则E,
∴==.
∵·=·(1,0,)=0,
∴⊥,即EB⊥DV.
又EA⊥DV,∴∠AEB为所求二面角的平面角,
∴cos 〈〉==.
故所求二面角的平面角的余弦值为.
9.(2025·天津模拟)如图1,在Rt△ABC中,∠C=90°,BC=3,AC=6,D,E分别是AC,AB上的点,且DE∥BC,DE=2,将△ADE沿DE折起到△A1DE的位置,使A1C⊥CD,如图2.
(1)求证:A1C⊥平面BCDE;
(2)若M是A1D的中点,求CM与平面A1BE所成角的大小;
(3)线段BC上是否存在点P,使平面A1DP与平面A1BE垂直?说明理由.
[解] (1)证明:∵CD⊥DE,A1D⊥DE,CD∩A1D=D,CD,A1D 平面A1CD,
∴DE⊥平面A1CD,
又∵A1C 平面A1CD,∴A1C⊥DE.
又A1C⊥CD,CD∩DE=D,CD,DE 平面BCDE,
∴A1C⊥平面BCDE.
(2)如图建系,则C(0,0,0),D(-2,0,0),A1(0,0,2),
B(0,3,0),E(-2,2,0),
∴=(0,3,-2),=(-2,2,-2),
设平面A1BE的法向量为n=(x,y,z),
则即
∴取y=2,则n=(-1,2,).
又∵M(-1,0,),∴=(-1,0,).
∴cos 〈,n〉====,
∴CM与平面A1BE所成角的大小为45°.
(3)设线段BC上存在点P,P点坐标为(0,a,0),a∈[0,3],
∴=(0,a,-2),=(2,a,0),
设平面A1DP法向量为n1=(x1,y1,z1),
则即
∴
取y1=6,则n1=(-3a,6,a).假设平面A1DP与平面A1BE垂直,则n1·n=0,
∴3a+12+3a=0,a=-2.
∵0≤a≤3,∴线段BC上不存在点P,使平面A1DP与平面A1BE垂直.
1/1 空间直角坐标系的构建与点的坐标的确定
利用空间向量的方法解决立体几何问题,关键是依托图形建立空间直角坐标系,将其他向量用坐标表示,通过向量运算,判定或证明空间元素的位置关系,以及空间角、空间距离问题的探求.所以如何建立空间直角坐标系显得非常重要,下面简述空间建系的五种方法,希望同学们面对空间几何问题能做到有的放矢,化解自如.
题型一 空间直角坐标系的构建
1.建立空间直角坐标系的方法
(1)利用共顶点的互相垂直的三条棱构建空间直角坐标系;
(2)利用线面垂直关系构建空间直角坐标系;
(3)利用面面垂直关系构建空间直角坐标系;
(4)利用底面中心与高所在的直线,构建空间直角坐标系;
(5)利用底面正三角形构建空间直角坐标系.
2.建立空间直角坐标系的原则
无论利用哪种关系建系,都应遵循与求解问题相关的元素尽可能在坐标轴上或坐标面上,这样便于计算点的坐标(空间向量的坐标),减少运算量.
[典例1] 如图,四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,AD∥BC,AB=AD=AC=3,PA=BC=4,M为线段AD上一点,AM=2MD,N为PC的中点.求直线AN与平面PMN所成角的正弦值.
[尝试解答]
反思领悟 本例需要建立空间直角坐标系,而题目本身没有明显的共点的三条互相垂直的直线,认真观察题目条件AB=AC,取BC的中点E可得AE⊥BC,BC∥AD,就可得三条共点的两两垂直的直线,从而达到建立空间直角坐标系的目的.
巩固迁移1 (2024·安徽合肥三模)如图,已知四棱锥S-ABCD中,点S在平面ABCD内的投影为点A,∠CDA=∠DCB=2∠DCA=90°,BC=2AD=4.
(1)求证:平面SAC⊥平面SAB;
(2)若平面SAB与平面SCD所成角的正弦值为,求SA的值.
[尝试解答]
题型二 确定空间直角坐标系中点的坐标
求点的坐标和设点的坐标方法是一致的,常见方法具体如下:
(1)射影法:看所求点在x,y,z轴上的射影对应的数值.
如图,求点P横坐标x,则过点P作PP1⊥平面Oxy,再过点P1作P1P2⊥x轴,点P2对应数值即是x,同理可求纵坐标y与竖坐标z,或直接构造长方体OP,即求出线段P1P3,P1P2,PP1的长度,再注意正负号即可得点P坐标.
一般地,点在平面Oxy,Oyz,Ozx上或易得点在x,y,z轴的射影时均适合用射影法.
(2)公式法:对中点、n等分点、重心等点可用公式法求其坐标.
若点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),C(x3,y3,z3),
则线段AB的中点坐标为;三角形ABC的重心为;
若点P在线段AB上且AP=λPB,则
P.
(3)向量法:
①利用平行、垂直关系求某向量的坐标,再求点的坐标.
②利用三角形法则或平行四边形法则,求出某向量的坐标,再求点的坐标.
③三点共线问题:若点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),点C在线段AB上,则可设=λ,C(x,y,z),利用待定系数法求出x,y,z.
(4)待定系数法:设点P(x,y,z),利用已知条件求出x,y,z.
以上各方法其实也是相通的,也存在其他一些灵活的处理方法(比如平移法等),都需要先理解再灵活运用.
[典例2] 如图,在平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD是矩形,AB=4,AD=2,平行六面体高为2,顶点D在底面A1B1C1D1的射影O是C1D1的中点,设△AB1D1的重心为G,N为DD1上的点,且ON⊥DD1,试建立适当的空间直角坐标系并写出下列点的坐标.
(1)A1,B1,A,D1;(2)G;(3)B;(4)N.
[尝试解答]
巩固迁移2 如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是边长为2的菱形,∠BAD=60°,∠APD=90°,且PA=PD,AD=PB.
(1)求证:AD⊥PB;
(2)求点A到平面PBC的距离.
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