高一下册数学空间直角坐标系

4.3 空间直角坐标系
4.3.1 空间直角坐标系
一、教材分析
学生已经对立体几何以及平面直角坐标系的相关知识有了较为全面的认识,学习《空间直角坐标系》有了一定的基础.这对于本节内容的学习是很有帮助的.但部分同学仍然会在空间思维与数形结合方面存在困惑.
本节课的内容是非常抽象的,试图通过教师的讲解而让学生听懂、记住、会用是徒劳的,必须突出学生的主体地位,通过学生的自主学习与和同学的合作探究,让学生亲手实践,这样学生才能获得感性认识,从而为后续的学习并上升到理性认识奠定基础.通过激发学生学习的求知欲望,使学生主动参与教学实践活动.创设学习情境,营造氛围,精心设计问题,让学生在整个学习过程中经常有自我展示的机会,并有经常性的成功体验,增强学生的学习信心,从学生已有的知识和生活经验出发,让学生经历知识的形成过程.通过阅读教材,并结合空间坐标系模型,模仿例题,解决实际问题.
二、教学目标
1．知识与技能
（1）使学生深刻感受到空间直角坐标系的建立的背景
（2）使学生理解掌握空间中点的坐标表示
2．过程与方法
建立空间直角坐标系的方法与空间点的坐标表示
3．情态与价值观
通过数轴与数、平面直角坐标系与一对有序实数，引申出建立空间直角坐标系的必要性，培养学生类比和数列结合的思想.
三、教学重点与难点
教学重点：在空间直角坐标系中确定点的坐标.
教学难点：通过建立适当的直角坐标系确定空间点的坐标,以及相关应用.
四、课时安排
1课时
五、教学设计
（一）导入新课
思路1.大家先来思考这样一个问题,天上的飞机的速度非常的快,即使民航飞机速度也非常快,有很多飞机时速都在1 000 km以上,而全世界又这么多,这些飞机在空中风驰电掣,速度是如此的快,岂不是很容易撞机吗？但事实上,飞机的失事率是极低的,比火车,汽车要低得多,原因是,飞机都是沿着国际统一划定的航线飞行,而在划定某条航线时,不仅要指出航线在地面上的经度和纬度,还要指出航线距离地面的高度.为此我们学习空间直角坐标系,教师板书课题:空间直角坐标系.
思路2.我们知道数轴上的任意一点M都可用对应一个实数x表示,建立了平面直角坐标系后,平面上任意一点M都可用对应一对有序实数(x,y)表示.那么假设我们建立一个空间直角坐标系时,空间中的任意一点是否可用对应的有序实数组(x,y,z)表示出来呢？为此我们学习空间直角坐标系,教师板书课题:空间直角坐标系.
（二）推进新课、新知探究、提出问题
①在初中,我们学过数轴,那么什么是数轴?决定数轴的因素有哪些?数轴上的点怎样表示?
②在初中,我们学过平面直角坐标系,那么如何建立平面直角坐标系?决定平面直角坐标系的因素有哪些?平面直角坐标系上的点怎样表示?
③在空间,我们是否可以建立一个坐标系,使空间中的任意一点都可用对应的有序实数组表示出来呢？
④观察图1,体会空间直角坐标系该如何建立.
⑤观察图2,建立了空间直角坐标系以后,空间中任意一点M如何用坐标表示呢？
讨论结果：①在初中,我们学过数轴是规定了原点、正方向和单位长度的直线.决定数轴的因素有原点、正方向和单位长度.这是数轴的三要素.数轴上的点可用与这个点对应的实数x来表示.
②在初中,我们学过平面直角坐标系,平面直角坐标系是以一点为原点O,过原点O分别作两条互相垂直的数轴Ox和Oy,xOy称平面直角坐标系,平面直角坐标系具有以下特征：两条数轴：①互相垂直;②原点重合;③通常取向右、向上为正方向;④单位长度一般取相同的.平面直角坐标系上的点用它对应的横、纵坐标表示,括号里横坐标写在纵坐标的前面,它们是一对有序实数(x,y).
③在空间,我们也可以类比平面直角坐标系建立一个坐标系,即空间直角坐标系,空间中的任意一点也可用对应的有序实数组表示出来.
④观察图2,OABC—D′A′B′C′是单位正方体,我们类比平面直角坐标系的建立来建立一个坐标系即空间直角坐标系,以O为原点,分别以射线OA,OC,OD′的方向为正方向,以线段OA,OC,OD′的长为单位长度,建立三条数轴Ox,Oy,Oz称为x轴、y轴和z轴,这时我们说建立了一个空间直角坐标系O—xyz,其中O叫坐标原点,x轴、y轴和z轴叫坐标轴.如果我们把通过每两个坐标轴的平面叫做坐标平面,我们又得到三个坐标平面xOy平面,yOz平面,zOx平面.
由此我们知道,确定空间直角坐标系必须有三个要素,即原点、坐标轴方向、单位长.
图1
图1表示的空间直角坐标系也可以用右手来确定.用右手握住z轴,当右手的四个手指从x轴正向以90°的角度转向y轴的正向时,大拇指的指向就是z轴的正向.我们称这种坐标系为右手直角坐标系.如无特别说明,我们课本上建立的坐标系都是右手直角坐标系.
注意:在平面上画空间直角坐标系O—xyz时,一般使∠xOy=135°,∠xOy=90°.即用斜二测画法画立体图,这里显然要注意在y轴和z轴上的都取原来的长度,而在x轴上的长度取原来长度的一半.同学们往往把在x轴上的长度取原来的长度,这就不符和斜二测画法的约定,直观性差.
⑤观察图2,建立了空间直角坐标系以后,空间中任意一点M就可以用坐标来表示了.
已知M为空间一点.过点M作三个平面分别垂直于x轴、y轴和z轴,它们与x轴、y轴和z轴的交点分别为P、Q、R,这三点在x轴、y轴和z轴上的坐标分别为x,y,z.于是空间的一点M就唯一确定了一个有序数组x,y,z.这组数x,y,z就叫做点M的坐标,并依次称x,y,z为点M的横坐标.纵坐标和竖坐标.坐标为x,y,z的点M通常记为M(x,y,z).
图2
反过来,一个有序数组x,y,z,我们在x轴上取坐标为x的点P,在y轴上取坐标为y的点Q,在z轴上取坐标为z的点R,然后通过P、Q与R分别作x轴、y轴和z轴的垂直平面.这三个垂直平面的交点M即为以有序数组x,y,z为坐标的点.数x,y,z就叫做点M的坐标,并依次称x,y和z为点M的横坐标、纵坐标和竖坐标.(如图2所示)
坐标为x,y,z的点M通常记为M(x,y,z).我们通过这样的方法在空间直角坐标系内建立了空间的点M和有序数组x,y,z之间的一一对应关系.
注意：坐标面上和坐标轴上的点,其坐标各有一定的特征.
如果点M在yOz平面上,则x=0；同样,zOx面上的点,y=0；xOy面上的点,z=0；如果点M在x轴上,则y=z=0；如果点M在y轴上,则x=z=0；如果点M在z轴上,则x=y=0；如果M是原点,则x=y=z=0.
空间点的位置可以由空间直角坐标系中的三个坐标唯一确定,因此,常称我们生活的空间为“三度空间或三维空间”.事实上,我们的生活空间应该是四度空间,应加上时间变量t.即(x,y,z,t),它表示在时刻t所处的空间位置是(x,y,z).
（三）应用示例
思路1
例1 如图3,长方体OABC—D′A′B′C′中,|OA|=3,|OC|=4,|OD′|=2,写出D′,C,A′,B′四点的坐标.
图3
活动：学生阅读题目,对照刚学的知识,先思考,再讨论交流,教师适时指导,要写出点的坐标,首先要确定点的位置,再根据各自坐标的含义和特点写出.D′在z轴上,因此它的横纵坐标都为0,C在y轴上,因此它的横竖坐标都为0,A′为在zOx面上的点,y=0；B′不在坐标面上,三个坐标都要求.
解:D′在z轴上,而|OD′|=2,因此它的竖坐标为2,横纵坐标都为0,因此D′的坐标是(0,0,2).同理C的坐标为(0,4,0).A′在xOz平面上,纵坐标为0,A′的横坐标就是|OA|=3,A′的竖坐标就是|OD′|=2,所以A′的坐标就是(3,0,2).点B′在xOy平面上的射影是点B,因此它的横坐标x与纵坐标y同点B的横坐标x与纵坐标y相同,在xOy平面上,点B的横坐标x=3,纵坐标y=4;点B′在z轴上的射影是点D′,它的竖坐标与D′的竖坐标相同,点D′的竖坐标z=2,所以点B′的坐标是(3,4,2).
点评:能准确地确定空间任意一点的直角坐标是利用空间直角坐标系的基础,一定掌握如下方法,过点M作三个平面分别垂直于x轴、y轴和z轴,确定x,y和z,同时掌握一些特殊点的坐标的表示特征.
例2 讲解课本例2.
活动：学生阅读,思考与例1的不同,教师引导学生考虑解题的方法,图中没有坐标系,这就给我们解题带来了难度,同时也给我们的思维提供了空间,如何建立空间直角坐标系才能使问题变得更简单?一般来说,以特殊点为原点,我们所求的点在坐标轴上或在坐标平面上的多为基本原则建立空间直角坐标系,这里我们以上底面为xOy平面,其他不变,来看这15个点的坐标.
解:把图中的钠原子分成上、中、下三层,下层的钠原子全部在xOy平面上,因此其竖坐标全部是0,所以这五个钠原子所在位置的坐标分别为(0,0,0)、(1,0,0)、(1,1,0)、(0,1,0)、(,,0);中层的钠原子全部在与xOy平行的平面上,与z轴交点的竖坐标是,所以这四个钠原子所在位置的坐标分别为(,0,)、(1,,)、(,1,)、(0,,);上层的钠原子全部在与xOy平行的平面上,与z轴交点的竖坐标是1,所以这五个钠原子所在位置的坐标分别为(0,0,1)、(1,0,1)、(1,1,1)、(0,1,1)、(,,1).
思考：如果把原点取在中间的点(上述两点的中点氯原子)上,以中层面作为xOy平面,结果会怎样呢？
解:把图中的钠原子分成上、中、下三层,中层的钠原子全部在xOy平面上,因此其竖坐标全部是0,所以这四个钠原子所在位置的坐标分别为(,0,0)、(1,,0)、(,1,0)、(0,,0);上层的钠原子全部在与xOy平行的平面上,与轴交点的竖坐标是,所以这五个钠原子所在位置的坐标分别为(0,0, )、(0,1, )、(1,0, )、(1,1, )、(,,);下层的钠原子全部在与xOy平行的平面上,与轴交点的竖坐标是-,所以这五个钠原子所在位置的坐标分别为(0,0,-)、(1,0,-)、(1,1,-)、(0,1,-)、(,,-).
点评:建立坐标系是解题的关键,坐标系建立的不同,点的坐标也不同,但点的相对位置是不变的,坐标系的不同也会引起解题过程的难易程度不同.因此解题时要慎重建立空间直角坐标系.
思路2
例1 如图4,已知点P′在x轴正半轴上,|OP′|=2,PP′在xOz平面上,且垂直于x轴,|PP′|=1,求点P′和P的坐标.
图4
解:显然,P′在x轴上,它的坐标为(2,0,0).
若点P在xOy平面上方,则点P的坐标为(2,0,1).
若点P在xOy平面下方,则点P的坐标为(2,0,-1).
点评:注意点P有两种可能的位置情况,不要漏解.
例2 如图5,在正方体ABCD—A1B1C1D1中,E,F分别是BB1和D1B1的中点,棱长为1,求E,F点的坐标.
图5
解:方法一:从图中可以看出E点在xOy平面上的射影为B,而B点的坐标为(1,1,0),E点的竖坐标为,所以E点的坐标为(1,1,);F点在xOy平面上的射影为G,而G点的坐标为(,,0),F点的竖坐标为1,所以F点的坐标为(,,1).
方法二:从图中条件可以得到B1(1,1,1),D1(0,0,1),B(1,1,0).E为BB1的中点,F为D1B1的中点,由中点坐标公式得E点的坐标为()=(1,1,),F点的坐标为()=(,,1).
点评:(1)平面上的中点坐标公式可以推广到空间,即设A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2),则AB的中点P(,,);
(2)熟记坐标轴上的点的坐标和坐标平面上的点的坐标表示的特征.
变式训练
1.在上题中求B1(1,1,1)点关于平面xoy对称的点的坐标.
解:设所求的点为B0(x0,y0,z0),由于B为B0B1的中点,所以解之,得.所以B0(1,1,-1).
2.在上题中求B1(1,1,1)点关于z轴对称的点的坐标.
解:设所求的点为P(x0,y0,z0),由于D1为PB1的中点,因为D1(0,0,1),所以解之,得所以P(-1,-1,1).
3.在上题中求B1(1,1,1)点关于原点D对称的点的坐标.
解:设所求的点为M(x0,y0,z0),由于D为MB1的中点,因为D(0,0,0),所以.解之,得所以M(-1,-1,-1).
（四）知能训练
课本本节练习1、2、3.
（五）拓展提升
1.在空间直角坐标系中的点P(x,y,z)关于①坐标原点;②横轴(x轴);③纵轴(y轴);④竖轴(z轴);⑤xOy坐标平面;⑥yOz坐标平面;⑦zOx坐标平面的对称点的坐标是什么?
解:根据平面直角坐标系的点的对称方法结合中点坐标公式可知:
点P(x,y,z)关于坐标原点的对称点为P1(-x,-y,-z);
点P(x,y,z)关于横轴(x轴)的对称点为P2(x,-y,-z);
点P(x,y,z)关于纵轴(y轴)的对称点为P3(-x,y,-z);
点P(x,y,z)关于竖轴(z轴)的对称点为P4(-x,-y,z);
点P(x,y,z)关于xOy坐标平面的对称点为P5(x,y,-z);
点P(x,y,z)关于yOz坐标平面的对称点为P6(-x,y,z);
点P(x,y,z)关于zOx坐标平面的对称点为P7(x,-y,z).
点评:其中记忆的方法为:关于谁谁不变,其余的相反.如关于横轴(x轴)的对称点,横坐标不变,纵坐标、竖坐标变为原来的相反数;关于xOy坐标平面的对称点,横坐标、纵坐标不变,竖坐标相反.
变式训练
在空间直角坐标系中的点P(a,b,c),有下列叙述:
①点P(a,b,c)关于横轴(x轴)的对称点是P1(a,-b,c);②点P(a,b,c)关于yOz坐标平面的对称点为P2(a,-b,-c);③点P(a,b,c)关于纵轴(y轴)的对称点是P3(a,-b,c);④点P(a,b,c)关于坐标原点的对称点为P4(-a,-b,-c).
其中正确叙述的个数为( )
A.3 B.2 C.1 D.0
分析：①②③错,④对.
答案：C
（六）课堂小结
1.空间直角坐标系的建立.
2.空间直角坐标系中点的坐标的确定.
3.空间直角坐标系中点的位置的确定.
4.中点公式：
P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),则P1P2中点M的坐标为(,,).
5.空间直角坐标系中点的对称点的坐标.
（七）作业
习题4.3 A组1、2.
4.3.2 空间两点间的距离公式
一、教材分析
平面直角坐标系中,两点之间的距离公式是学生已学的知识,不难把平面上的知识推广到空间,遵循从易到难、从特殊到一般的认识过程,利用类比的思想方法,借助勾股定理得到空间任意一点到原点的距离;从平面直角坐标系中的方程x2+y2=r2表示以原点为圆心,r为半径的圆,推广到空间直角坐标系中的方程x2+y2+z2=r2表示以原点为球心,r为半径的球面.学生是不难接受的,这不仅不增加学生负担,还会提高学生学习的兴趣.
二、教学目标
1．知识与技能
使学生掌握空间两点间的距离公式
2．过程与方法
3．情态与价值观
通过空间两点间距离公式的推导，使学生经历从易到难，从特殊到一般的认识过程
三、教学重点与难点
教学重点：空间两点间的距离公式.
教学难点：一般情况下,空间两点间的距离公式的推导.
四、课时安排
1课时
五、教学设计
（一）导入新课
思路1.距离是几何中的基本度量,几何问题和一些实际问题经常涉及距离,如飞机和轮船的航线的设计,它虽不是直线距离,但也涉及两点之间的距离,一些建筑设计也要计算空间两点之间的距离,那么如何计算空间两点之间的距离呢?这就是我们本堂课的主要内容.
思路2.我们知道,数轴上两点间的距离是两点的坐标之差的绝对值,即d=|x1-x2|；平面直角坐标系中,两点之间的距离是d=.同学们想,在空间直角坐标系中,两点之间的距离应怎样计算呢？又有什么样的公式呢？因此我们学习空间两点间的距离公式.
（二）推进新课、新知探究、提出问题
①平面直角坐标系中,两点之间的距离公式是什么？它是如何推导的？
②设A(x,y,z)是空间任意一点,它到原点的距离是多少？应怎样计算？
③给你一块砖,你如何量出它的对角线长,说明你的依据.
④同学们想,在空间直角坐标系中,你猜想空间两点之间的距离应怎样计算？
⑤平面直角坐标系中的方程x2+y2=r2表示什么图形？在空间中方程x2+y2+z2=r2表示什么图形？
⑥试根据②③推导两点之间的距离公式.
活动：学生回忆,教师引导,教师提问,学生回答,学生之间可以相互交流讨论,学生有困难教师点拨.教师引导学生考虑解决问题的思路,要全面考虑,大胆猜想,发散思维.①学生回忆学过的数学知识,回想当时的推导过程；②解决这一问题,可以采取转化的方法,转化成我们学习的立体几何知识来解；③首先考虑问题的实际意义,直接度量,显然是不可以的,我们可以转化为立体几何的方法,也就是求长方体的对角线长.④回顾平面直角坐标系中,两点之间的距离公式,可类比猜想相应的公式；⑤学生回忆刚刚学过的知识,大胆类比和猜想;⑥利用③的道理,结合空间直角坐标系和立体几何知识,进行推导.
讨论结果：①平面直角坐标系中,两点之间的距离公式是d=,它是利用直角三角形和勾股定理来推导的.
图1
②如图1,设A(x,y,z)是空间任意一点,过A作AB⊥xOy平面,垂足为B,过B分别作BD⊥x轴,BE⊥y轴,垂足分别为D,E.根据坐标的含义知,AB=z,BD=x,BE=OD=y,由于三角形ABO、BOD是直角三角形,所以BO2=BD2+OD2,AO2=AB2+BO2=AB2+BD2+OD2=z2+x2+y2,因此A到原点的距离是d=.
③利用求长方体的对角线长的方法,分别量出这块砖的三条棱长,然后根据对角线长的平方等于三条边长的平方的和来算.
④由于平面直角坐标系中,两点之间的距离公式是d=,是同名坐标的差的平方的和再开方,所以我们猜想,空间两点之间的距离公式是d=,即在原来的基础上,加上纵坐标差的平方.
⑤平面直角坐标系中的方程x2+y2=r2表示以原点为圆心,r为半径的圆;在空间x2+y2+z2=r2表示以原点为球心,r为半径的球面;后者正是前者的推广.
图2
⑥如图2,设P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)是空间中任意两点,我们来计算这两点之间的距离.
我们分别过P1P2作xOy平面的垂线,垂足是M,N,则M(x1,y1,0),N(x2,y2,0),于是可以求出|MN|=.
再过点P1作P1H⊥P2N,垂足为H,则|MP1|=|z1|,|NP2|=|z2|,所以|HP2|=|z2-z1|.
在Rt△P1HP2中,|P1H|=|MN|=,根据勾股定理,得|P1P2|==.因此空间中点P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)之间的距离为|P1P2|=.
于是空间两点之间的距离公式是d=.它是同名坐标的差的平方的和的算术平方根.
（三）应用示例
例1 已知A(3,3,1),B(1,0,5),求：
(1)线段AB的中点坐标和长度；
(2)到A,B两点的距离相等的点P(x,y,z)的坐标满足的条件.
活动：学生审题,教师引导学生分析解题思路,已知的两点A、B都是空间直角坐标系中的点,我们直接利用空间两点间的距离公式求解即可.知识本身不难,但是我们计算的时候必须认真,决不能因为粗心导致结果错误.
解:(1)设M(x,y,z)是线段AB的中点,则根据中点坐标公式得
x==2,y==,z==3.所以AB的中点坐标为(2,,3).
根据两点间距离公式,得
d(A,B)=,
所以AB的长度为.
(2)因为点P(x,y,z)到A,B的距离相等,
所以有下面等式：
.
化简得4x+6y-8z+7=0,
因此,到A,B两点的距离相等的点P(x,y,z)的坐标满足的条件是4x+6y-8z+7=0.
点评:通过本题我们可以得出以下两点：
①空间两点连成的线段中点坐标公式和两点间的距离公式是平面上中点坐标公式和两点间的距离公式的推广,而平面上中点坐标公式和两点间的距离公式又可看成空间中点坐标公式和两点间的距离公式的特例.
②到A,B两点的距离相等的点P(x,y,z)构成的集合就是线段AB的中垂面.
变式训练
在z轴上求一点M,使点M到点A(1,0,2),B(1,-3,1)的距离相等.
解:设M(0,0,z),由题意得|MA|=|MB|,
,
整理并化简,得z=-3,所以M(0,0,-3).
例2 证明以A(4,3,1),B(7,1,2),C(5,2,3)为顶点的△ABC是一等腰三角形.
活动：学生审题,教师引导学生分析解题思路,证明△ABC是一等腰三角形,只需求出|AB|,|BC|,|CA|的长,根据边长来确定.
证明：由两点间距离公式得：
|AB|=
|BC|=,
|CA|=.
由于|BC|=|CA|=,所以△ABC是一等腰三角形.
点评:判断三角形的形状一般是根据边长来实现的,因此解决问题的关键是通过两点间的距离公式求出边长.
变式训练
三角形△ABC的三个顶点坐标为A(1,-2,-3),B(-1,-1,-1),C(0,0,-5),试证明△ABC是一直角三角形.
活动：学生先思考或交流,然后解答,教师及时提示引导,要判定△ABC是一直角三角形,只需求出|AB|,|BC|,|CA|的长,利用勾股定理的逆定理来判定.
解:因为三个顶点坐标为A(1,-2,-3),B(-1,-1,-1),C(0,0,-5),所以
|AB|==3,
|BC|=,
|CA|==3.
又因为|AB|2+|CA|2=|BC|2,所以△ABC是直角三角形.
例3 已知A(x,5-x,2x-1),B(1,x+2,2-x),则|AB|的最小值为( )
A.0 B. C. D.
活动：学生阅读题目,思考解决问题的方法,教师提示,要求|AB|的最小值,首先我们需要根据空间两点间的距离公式表示出|AB|,然后再根据一元二次方程求最值的方法得出|AB|的最小值.
解析:|AB|=
=
=.
当x=时,|AB|的最小值为.
故正确选项为B.
答案：B
点评:利用空间两点间的距离公式转化为关于x的二次函数求最值是常用的方法.
（四）知能训练
课本本节练习1、2、3、4.
（五）拓展提升
已知三棱锥P—ABC(如图4),PA⊥平面ABC,在某个空间直角坐标系中,B(3m,m,0),C(0,2m,0),P(0,0,2n),画出这个空间直角坐标系并求出直线AB与x轴所成的较小的角.
图3
解:根据已知条件,画空间直角坐标系如图3：
以射线AC为y轴正方向,射线AP为z轴正方向,A为坐标原点建立空间直角坐标系O—xyz,过点B作BE⊥Ox,垂足为E,∵B(m,m,0),∴E(m,0,0).
在Rt△AEB中,∠AEB=90°,|AE|=m,|EB|=m,
∴tan∠BAE==.∴∠BAE=30°,
即直线AB与x轴所成的较小的角为30°.
（六）课堂小结
1.空间两点间的距离公式的推导与理解.
2.空间两点间的距离公式的应用.
3.建立适当的空间直角坐标系,综合利用两点间的距离公式.
（七）作业
习题4.3 A组3,B组1、2、3.