知识讲解空间直角坐标系基础

空间直角坐标系

【学习目标】

通过具体情境，感受建立空间直角坐标系的必要性，了解空间直角坐标系，会用空间直角坐标系刻画点的位置.通过表示特殊长方体(所有棱分别与坐标轴平行)顶点的坐标，探索并得出空间两点间的距离公式.

【要点梳理】

要点一、空间直角坐标系

1.空间直角坐标系

从空间某一定点O 引三条互相垂直且有相同单位长度的数轴，这样就建立了空间直角坐标系Oxyz ，点O 叫做坐标原点，x 轴、y 轴、z 轴叫做坐标轴，这三条坐标轴中每两条确定一个坐标平面，分别是xOy 平面、yOz 平面、zOx 平面.

2.右手直角坐标系

在空间直角坐标系中，让右手拇指指向x 轴的正方向，食指指向y 轴的正方向，如果中指指向z 轴的正方向，则称这个坐标系为右手直角坐标系.

3.空间点的坐标

空间一点A 的坐标可以用有序数组(x ，y ，z)来表示，有序数组(x ，y ，z)叫做点A 的坐标，记作A(x ，y ，z)，其中x 叫做点A 的横坐标，y 叫做点A 的纵坐标，z 叫做点A 的竖坐标.

要点二、空间直角坐标系中点的坐标

1.空间直角坐标系中点的坐标的求法

通过该点，作两条轴所确定平面的平行平面，此平面交另一轴于一点，交点在这条轴上的坐标就是已知点相应的一个坐标.

特殊点的坐标：原点()0,0,0；,,x y z 轴上的点的坐标分别为()()(),0,0,0,,0,0,0,x y z ；坐标平面,,xOy yOz xOz 上的点的坐标分别为()()(),,0,0,,,,0,x y y z x z .

2.空间直角坐标系中对称点的坐标

在空间直角坐标系中，点(),,P x y z ，则有

点P 关于原点的对称点是()1,,P x y z ---；

点P 关于横轴(x 轴)的对称点是()2,,P x y z --；

点P 关于纵轴(y 轴)的对称点是()3,,P x y z --；

点P 关于竖轴(z 轴)的对称点是()4,,P x y z --；

点P 关于坐标平面xOy 的对称点是()5,,P x y z -；

点P 关于坐标平面yOz 的对称点是()6,,P x y z -；

点P 关于坐标平面xOz 的对称点是()7,,P x y z -.

要点三、空间两点间距离公式

1.空间两点间距离公式

空间中有两点()()111222,,,,,A x y z B x y z ，则此两点间的距离

||d AB ==

特别地，点(),,A x y z 与原点间的距离公式为OA =

2.空间线段中点坐标

空间中有两点()()111222,,,,,A x y z B x y z ，则线段AB 的中点C 的坐标为121212,,222x x y y z z +++⎛⎫

⎪⎝⎭. 【典型例题】

类型一：空间坐标系

例1．在正方体ABCD —A 1B 1C 1D 1中，E 、F 分别是BB 1、D 1B 1的中点，棱长为1，建立空间直角坐标系，求点E 、F 的坐标。 【答案】11,0,2E ⎛

⎫ ⎪⎝⎭，11,,122F ⎛⎫ ⎪⎝⎭

【解析】 法一：如图，以A 为坐标原点，以AB ，AD ，AA 1所在直线分别为x 轴，y 轴，z 轴建立空

间直角坐标系，点E在xOy面上的投影为B（1，0，0），

∵点E竖坐标为1

2

，∴

1

1,0,

2

E

⎛⎫

⎪

⎝⎭

。

F在xOy面上的投影为BD的中点G，竖坐标为1，

∴

11

,,1

22

F

⎛⎫ ⎪⎝⎭

。

法二：如解法一所建立空间直角坐标系，

∵B1（1，0，1），D1（0，1，1），B（1，0，0）E为BB1的中点，F为B1D1的中点，

∴E的坐标为

1100101

,,1,0,

2222

+++

⎛⎫⎛⎫

=

⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

，

F的坐标为

10011111

,,,,1 22222

+++

⎛⎫⎛⎫

=

⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

。

点评：本题主要考查空间中点的坐标的确定，关键是建立坐标系找到各个坐标分量。由于正方体的棱AB，AD，AA1互相垂直，可以以它们所在直线为坐标轴建系。点的各个坐标分量就是

这个点在各个坐标轴上的投影在相应坐标轴上的坐标。

举一反三：

【变式1】在如图所示的空间直角坐标系中，OABC—D1A1B1C1是单位正方体，N是BB1的中点，求这个单位正方体各顶点和点N的坐标．

【答案】O（0，0，0），A（1，0，0），B（1，1，0），C（0，1，0），D1（0，0，1），A1（1，0，1），

B1（1，1，1），C1（0，1，1），N（1，1，1

2）。

例2．在平面直角坐标系中，点P（x，y）的几种特殊的对称点的坐标如下：（1）关于原点的对称点是P＇（－x，－y）；

（2）关于x轴的对称点是P＂（x，－y）；

（3）关于y轴的对称点是P'''（－x，y）．

那么，在空间直角坐标系内，点P（x，y，z）的几种特殊的对称点坐标为：

①关于原点的对称点是P1________；

②关于横轴（x轴）的对称点是P2________；

③关于纵轴（y轴）的对称点是P3________；

④关于竖轴（z轴）的对称点是P4________；

⑤关于xOy坐标平面的对称点是P5________；

⑥关于yOz坐标平面的对称点是P6________；

⑦关于zOx坐标平面的对称点是P7________．

【答案】①（－x，－y，－z）②（x，－y，－z）③（－x，y，－z）④（－x，－y，z）

⑤（x，y，－z）⑥（－x，y，z）⑦（x，－y，z）

【解析】类比平面直角坐标系，在空间直角坐标系有如下

结论：①P1（－x，－y，－z）；②P2（x，－y，－z）；③P3（－x，y，－z）；④P4（－x，－y，z）；⑤P5（x，y，－z）；⑥P6（－x，y，z）；⑦P7（x，－y，z）．

【总结升华】上述结论的证明，可类比平面直角坐标系的方法加以证明：如P点关于原点的对称点P1，则有PP1的中点为原点。由中点坐标公式即可求出P1点坐标．

上述结论的记忆方法：“关于谁对称谁不变，其余的相反”，如关于x轴对称的点，横坐标不变，纵、竖坐标变为原来的相反数；关于xoy坐标平面对称的点，横、纵坐标不变，竖坐标相反．举一反三：

【变式1】（1）在空间直角坐标系中，点P（－2，1，4）关于x轴对称的点的坐标是（）．

A．（－2，1，－4）B．（－2，－1，－4）C．（2，－1，4）D．（2，1，－4）

（2）在空间直角坐标系中，点P（－2，1，4）关于xOy平面对称的点的坐标是（）．

A．（－2，1，－4）B．（－2，－l，－4）C．（2，－1，4）D．（2，1，－4）

【答案】（1）B （2）A