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第1课时:空间中点、直线和平面的向量表示
教学内容
空间中点、直线和平面的向量表示;直线的方向向量和平面的法向量.
教学目标
(1)能用向量表示空间中的点、直线和平面;
(2)理解平面的法向量的概念,会求法向量;
(3)经历用代数运算解决几何问题的过程,提升直观想象、数学运算素养.
教学重难点
1.教学重点:平面法向量的概念及求法。
2.教学难点:空间中的点、直线和平面的向量表示。
教学过程
1.新课引入,探索新知
引言:我们知道点、直线和平面是空间的基本图形,点、线段和平面图形等是组成空间几何体的基本元素.因此,为了用空间向量解决立体几何问题,首先要用向量表示空间中的点、直线和平面.
问题1:如何用向量表示空间中的一个点?
追问:取空间中一个定点O为起点,空间中的向量与向量的终点间有怎样的关系?
师生活动:教师引导学生类比平面中用向量表示点。
设计意图:引发学生思考起点确定时,空间中任意一个点作为终点都可以得到一个空间向量,这种一一对应关系决定能用向量表示点P.
问题2:我们知道,空间中给定一个点A和一个方向就能唯一确定一条直线.如何用向量表示直线?
师生活动:教师在课件中给出图形,即点A和直线的方向向量,并向学生阐明,用向量表示直线,就是用点A和向量表示直线上的任意一点.学生观察图形,进行思考.
追问:(1)P是直线上的任意一点,由方向向量的定义可知,怎样用来表示?
(2)假设O是空间任意一点,运用问题1中用位置向量表示点的方法,又可以怎样表示?
师生活动:教师引导学生观察、讨论、分析.
设计意图:教材第1节就给出了直线的方向向量的概念,根据空间向量数乘运算的意义,=t(t∈R).通过追问2,让学生得到,从而得出直线的向量表示式,进一步深化理解点的向量表示.同时应指出,点P在直线上的充要条件是存在实数t,使.
问题3:一个定点和两个定方向能否确定一个平面?如果能确定,如何用向量表示这个平面?
追问:(1)我们知道,经过两条相交直线可以确定一个平面α,设这两条直线的交点为A,方向向量为和,P为平面内任意一点,根据平面向量基本定理,如何表示?
取定空间任意一点O,类似于问题2,你能得到平面ABC的向量表示式吗?
师生活动:教师展示图形,引导学生思考并进行演算.
思考:若四点共面,则能得到什么?
学生:.
追问:如何得到?
学生:引入空间一点即可.
设计意图:根据平面向量基本定理,存在唯一实数对,使得.
类比问题2的推导过程,学生容易得到平面的向量表示式,由学生自行推导,强调前后知识的联系,形成解决同类问题的思想方法.
2.探究新知,概念生成
问题4:一个定点和一个定方向能否确定一个平面?如果能确定,如何用向量表示这个平面?
师生活动:教师展示图形,经过定点A且垂直于的平面是唯一确定的,给出平面法向量的概念,即⊥,的方向向量叫做的法向量.对于第二个问题可进行如下追问.
追问:(1)对于平面内任意一点P,与有怎样的关系?可以用哪种运算来表示这种关系?
(2)如果另有一条直线⊥,在上取向量b,则b与有什么关系?
设计意图:让学生在思考中理解垂直关系可以用向量数量积为0来表示,为后面求平面的法向量提供依据.教师给出集合表示平面,加强知识间的联系,用集合的观点表示图形.
例题分析,巩固新知
例1.如图,在长方体ABCD—A1B1C1D1中,AB=4,BC=3,CC1=2,M是AB中点,以D为原点,DA、DC、DD1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.
(1)求直线CD的方向向量;
(2)求平面BCC1B1的法向量.
(3)求平面MCA1的法向量.
分析:本题实际上是求解两类问题:一类是求直线的方向向量,另一类是求平面的法
向量。求直线的方向向量,就是找到一个向量,满足它所在的直线与已知直线平行或
重合;求平面的法向量,就是要找到一个向量,满足它所在的直线与已知平面垂直。
解:(1)依题意可知,D(0,0,0),C(0,4,0),所以直线CD的方向向量是.
追问:直线CD还有其他的方向向量吗?
可以看出,以C为起点,D为终点的向量CD也是直线的方向向量。
而(0,1,0)是与(0,4,0)共线的向量,所以也是直线CD的方向向量.实际上,与(0,4,0)共线的非零向量(0,a,0)都是直线CD的方向向量。
(2)因为在长方体中,有DC⊥面BCC1B1,所以直线DC的方向向量就是面BCC1B1的法向量,即是平面BCC1B1的一个法向量.。
追问:平面BCC1B1还有其他的法向量吗?
有D1C1⊥面BCC1B1,所以直线D1C1的方向向量就是面BCC1B1的法向量,即是平面BCC1B1的一个法向量。所有与(0,4,0)共线的向量都是平面BCC1B1的法向量.。
(3)因为AB=
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