教学设计3．3空间两点间的距离公式整体设计教学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＝r 2表示以原点为圆心，2 2 2 2r为半径的圆，推广到空间直角坐标系中的方程x＋y＋z＝r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．三维目标1．掌握空间两点间的距离公式，会用空间两点间的距离公式解决问题．2．通过探究空间两点间的距离公式，灵活运用公式，初步意识到将空间问题转化为平面问题是解决问题的基本思想方法．3．通过棱与坐标轴平行的特殊长方体的顶点的坐标，类比平面中两点之间的距离的求法，探索并得出空间两点间的距离公式，充分体会数形结合的思想，培养学生积极参与、大胆探索的精神．重点难点教学重点：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．课时安排1课时教学过程导入新课思路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2 2面直角坐标系中，两点之间的距离是d＝(x2－x1)＋(y2－y1).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．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＝r 2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．2 2讨论结果：①平面直角坐标系中，两点之间的距离公式是d＝(x2－x1)＋(y2－y1)，它是利用直角三角形和勾股定理来推导的．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△ABO、△BOD是直角三角形，所以BO 2＝BD 2＋OD 2，AO2＝AB2＋BO2＝AB2＋2 2 2 2 2 2 2 2BD＋OD＝z＋x＋y，因此A到原点的距离是d＝x＋y＋z.
图1③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．2 2④由于平面直角坐标系中，两点之间的距离公式是d＝(x2－x1)＋(y2－y1)，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＝2 2 2(x2－x1)＋(y2－y1)＋(z2－z1)，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＋2 2 2y＋z＝r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2⑥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2 2可以求出|MN|＝(x2－x1)＋(y2－y1).
再过点P1作P1H⊥P2N，垂足为H，则|MP 1|＝|z1|，|NP 2|＝|z2|，所以|HP 2|＝|z2－z1|.
2 2在Rt△P1HP2中，|P1H|＝|MN|＝(x2－x1)＋(y2－y1)，根据勾股定理，得|P1P2|＝2 2 2 2 2|P1H|＋|HP 2|＝(x1－x2)＋(y1－y2)＋(z1－z2).因此空间中点P1(x1，y1，z1)，P2(x2，y2，2 2 2z2)之间的距离为|P1 P2|＝(x1－x2)＋(y1－y2)＋(z1－z2).
2 2 2于是空间两点之间的距离公式是d＝(x2－x1)＋(y2－y1)＋(z2－z1)，它是同名坐标的差的平方的和的算术平方根．应用示例思路1例1给定空间直角坐标系，在x轴上找一点P，使它与点P0(4,1,2)的距离为30.
解：设点P的坐标是(x,0,0)，由题意，|P0P|＝30，即(x－4)2＋12＋22＝30，所以(x－4)2＝25.解得x＝9或x＝－1.
所以点P的坐标为(9,0,0)或(－1,0,0)．例2在xOy平面内的直线x＋y＝1上确定一点M，使M到点N(6,5,1)的距离最小．解：由已知，可设M(x,1－x,0)，则|MN|＝(x－6)2＋(1－x－5)2＋(0－1)2＝2(x－1)2＋51.
所以|MN|min＝51.
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|，2 2 2 2 2 2(0－1)＋(0－0)＋(z－2)＝(0－1)＋(0＋3)＋(z－1)，整理并化简，得z＝－3，所以M(0,0，－3).
例3△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|＝(1＋1)2＋(－2＋1)2＋(－3＋1)2＝3，|BC|＝(0＋1)2＋(0＋1)2＋(－5＋1)2＝3 2，2 2 2|CA|＝(1－0)＋(－2－0)＋(－3＋5)＝3.
又因为|AB|2＋|CA|2＝|BC|2，所以△ABC是直角三角形．思路2例1已知A(x,5－x,2x－1)，B(1，x＋2,2－x)，则|AB|的最小值为()35 5 8A 0 B.C.D.
．7 7 7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．分析：|AB|＝(x－1)2＋(3－2x)2＋(3x－3)2＝14x2－32x＋198 2 5 35＝14 x－＋≥.
7 7 78 35当x＝时，|AB|的最小值为.
7 7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．例2已知正方形ABCD和正方形ABEF的边长都是1，平面ABCD和平面ABEF互相垂直，点M在AC上移动，点N在BF上移动，若CM＝BN＝a(0＜a＜2)．(1)求MN的长．(2)当a为何值时，MN的长最短？并求出|MN|的最小值．活动：学生思考或讨论，师生共同探讨解题方法，此题的求解方法很多，但利用坐标法求解既简单，又易行，我们必须建立适当的空间直角坐标系，利用空间两点间的距离公式求MN的长，求|MN|的最小值，我们可构建关于a的函数，利用函数的最值来解决．解：∵平面ABCD⊥平面ABEF，且平面ABCD∩平面ABEF＝AB，AB⊥BE，∴BE⊥平面ABC.∴AB，BC，BE两两垂直．∴以B为原点，分别以射线BA，BE，BC为x轴、y轴、z轴的正方向，建立空间直角坐标系B—xyz，如图3.
图3(1)∵正方形ABCD和正方形ABEF的边长都是1，CM＝BN＝a，2 2 2 2∴M a，0，1－a，N a，a，0.由空间两点间的距离公式得|MN|＝2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2a a＋0 a＋1 a 0＝a－2a＋1.
2－2－2－2－2 2 1 2(2)由本题(1)可知|MN|＝a＋，其中0＜a＜2，所以，当a＝时，|MN|最－2 2 22短，|MN|的最小值为.此时，M，N恰为AC，BF的中点．2点评：运用空间点的坐标运算解决几何问题时，首先建立适当的空间直角坐标系，计算出相关点的坐标，进行求解．在建立空间直角坐标系时，应注意原点的选择，原点的选择要便于解决问题，既有利于作图的直观性，又要知尽可能的使点的坐标为正值.
知能训练已知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．3解：(1)设M(x，y，z)是线段AB的中点，则根据中点坐标公式得2，，3.
2根据两点间距离公式得|AB|＝(1－3)2＋(0－3)2＋(5－1)2＝29.
所以AB的长度为29.
2 2 2(2)因为点P(x，y，z)到A，B的距离相等，所以有下面等式：(x－3)＋(y－3)＋(z－1)2 2 2＝(x－1)＋(y－0)＋(z－5).
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．拓展提升已知三棱锥P—ABC，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)．(1)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；3(2)若M为BC的中点，n＝m，求直线AM与PM所成锐角．2解：(1)根据已知条件，画空间直角坐标系如图4.
图4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，则因为B(3m，m,0)，所以E(3m,0,0)，在Rt△AEB中，∠AEB＝90°，|AE|＝3m，|EB|＝m，|EB|m 3∴tan∠BAE＝＝＝.∴∠BAE＝30°，|AE|3m 3即直线AB与x轴所成的较小的角为30°.
(2)连接AM和PM，∵M(x，y，z)为BC的中点，且B(3m，m,0)，C(0,2m,0)，由中点3m＋0 3m m＋2m 3m 0＋0 3m 3m坐标公式可得x＝＝，y＝＝，z＝＝0，∴M，，0.
2 2 2 2 2 2 23m 2 3m 2 2∵A(0,0,0)，∴由两点间的距离公式得|AM|＝＋＋0＝3m.
2 23∵P(0,0,2n)且n＝m P(0,0 3m)2，∴，．∴|OP|＝3m，故|OP|＝|AM|.
∵∠PAM＝90°，∴∠PMA＝45°，即直线AM与PM所成锐角为45°.
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．作业习题2－3 A组第6,7题．设计感想本节课从平面直角坐标系中两点之间的距离公式入手，创设问题情境，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．为了培养学生的理性思维，在例题中，设计了由特殊到一般的学习思路，培养学生的归纳概括能力．在问题的设计中，用一题多解的探究，纵向挖掘知识深度，横向加强知识间的联系，培养了学生的创新精神，本节课的设计通过适当的创设情境，调动学生的学习兴趣．本节课以问题为纽带，以探究活动为载体，使学生在问题的指引下、教师的指导下把探究活动层层展开、步步深入，充分体现以教师为主导，以学生为主体的指导思想．把学生学习知识的过程转变为学生观察问题、发现问题、分析问题、解决问题的过程，提高了能力、培养了兴趣、增强了信心．备课资料备用习题1．已知空间三点的坐标为A(1,5，－2)，B(2,4,1)，C(p,3，q＋2)，若A，B，C三点共线，则p，q的值分别为()A．3,2 B．2,3 C．－3,2 D．3，－2分析：由已知A，B，C三点共线，我们就可以根据它们每两点的斜率相等来求出参数2－1 4－5 1－(－2)p，q的值，即有＝＝，从而解得p＝3，q＝2.
p－2 3－4 q＋2－1答案：A2．已知正方体不在同一平面上的两顶点A(－1,2，－1)，B(3，－2,3)，则正方体的体积是()A．16 B．192 C．64 D．48分析：要求正方体的体积，只要知道它的棱长问题就解决了．根据已知A，B为不在同一平面上的两顶点，我们可以求出该正方体的对角线长为：2 2 2|AB|＝(3＋1)＋(－2－2)＋(3＋1)＝4 3，3∴正方体的棱长为|AB|4.
3＝∴正方体的体积是43＝64.
答案：C3．求点(a，b，c)关于(1)各坐标面；(2)各坐标轴；(3)坐标原点对称的点的坐标．活动：本题是要考查我们空间点的坐标的特征、对称性和空间的想象能力．我们结合图形求解问题会更简单明了．解：(1)点(a，b，c)关于xOy平面对称的点为(a，b，－c)；关于zOx平面对称的点为(a，－b，c)；关于yOz平面对称的点为(－a，b，c)．(2)点(a，b，c)关于x轴对称的点为(a，－b，－c)；关于y轴对称的点为(－a，b，－c)；关于z轴对称的点为(－a，－b，c)．(3)点(a，b，c)关于坐标原点对称的点的坐标为(－a，－b，－c)．点评：对于求解有关点的对称性的问题，我们一定要结合图形理解记忆．(设计者：邓新国)。
