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- 2021-06-16 发布
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§8.4
直线、平面垂直的判定与性质
高考数学
考点一 直线与平面垂直的判定与性质
1.直线与平面垂直
(1)直线与平面垂直的定义
如果直线
l
和平面
α
内的①
任意一条
直线都垂直,我们就说直线
l
与平面
α
垂直,记作
l
⊥
α
.
(2)直线与平面垂直的判定和性质
考点
清单
类别
文字语言
图形语言
符号语言
判定
如果一条直线与一个平面内的
②
两条相交直线
都垂直,则该直线与此平面垂直(即线线垂直
⇒
线面垂直)
⇒
③
l
⊥
α
如果两条平行直线中的一条垂直于一个平面,那么另一条也垂直于这个平面
⇒
b
⊥
α
性质
如果一条直线和一个平面垂直,则这条直线垂直于平面内任意一条直线(即线面垂直
⇒
线线垂直)
⇒
④
a
⊥
b
垂直于同一个平面的两条直线平行
⇒
a
∥
b
2.直线与平面所成的角
(1)定义:平面的一条斜线和它在平面上的射影所成的⑤
锐角
叫做这条
直线和这个平面所成的角.一条直线垂直于平面,我们说它们所成的角是直
角;一条直线和平面平行,或在平面内,我们说它们所成的角是0
°
的角.
(2)线面角
θ
的取值范围:0
°
≤
θ
≤
90
°
.
常用结论 (1)过一点有且只有一条直线与已知平面垂直.
(2)过一点有且只有一个平面与已知直线垂直.
直线
l
和平面
α
的位置关系
l
⊂
α
或
l
∥
α
l
⊥
α
l
和
α
斜交
θ
(直线
l
与平面
α
所成的角)的取值范围
θ
=0
°
θ
=90
°
0
°
<
θ
<90
°
考点二 平面与平面垂直的判定与性质
1.二面角的平面角
从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角,这条直线叫做二
面角的棱,这两个半平面叫做二面角的面.如果记棱为
l
,那么两个面分别为
α
、
β
的二面角记作
α
-
l
-
β
.
在二面角的棱上任取一点,以该点为垂足,在两个半平面内分别作垂直于棱
的射线,则两射线所构成的角叫做二面角的平面角.
类别
文字语言
图形语言
符号语言
判定
两个平面相交,如果它
们所成的二面角是直
二面角,就说这两个平
面互相垂直
∠
AOB
是二面角
α
-
l
-
β
的
平面角,且∠
AOB
=90
°
,
则
α
⊥
β
如果一个平面过另一
个平面的垂线,则这两
个平面互相垂直(即线
面垂直
⇒
面面垂直)
⇒
⑥
β
⊥
α
2.面面垂直的判定和性质
性质
如果两个平面垂直,则
其中一个平面内垂直
于交线的直线垂直于
另一个平面
⇒
l
⊥
α
如果两个相交平面同
时垂直于第三个平面,
那么它们的交线垂直
于第三个平面
⇒
l
⊥
γ
知识拓展 垂直问题的转化方向图
在垂直关系中,线面垂直是核心,已知线面垂直,既可为证明线线垂直提供
依据,又可为利用判定定理证明面面垂直做好铺垫.应用面面垂直的性质定
理时,一般需作辅助线,基本作法是过其中一个平面内一点作交线的垂线,
从而把面面垂直问题转化为线面垂直问题,进而可转化为线线垂直问题.
考法一
证明直线与平面垂直的方法
知能拓展
例1
如图,在四棱锥
P
-
ABCD
中,
PA
⊥底面
ABCD
,
AB
⊥
AD
,
AC
⊥
CD
,∠
ABC
=60
°
,
PA
=
AB
=
BC
,
E
是
PC
的中点.求证:
(1)
CD
⊥
AE
;
(2)
PD
⊥平面
ABE
.
解题导引
(1)结合已知条件分析可知,欲证
CD
⊥
AE
,只需证
CD
⊥平面
PAC
.
(2)欲证
PD
⊥平面
ABE
,只需证
PD
垂直于平面
ABE
内的两条交线即可,结合
条件分别证明
PD
⊥
AE
,
PD
⊥
AB
.
证明
(1)因为
PA
⊥平面
ABCD
,
CD
⊂
平面
ABCD
,
所以
PA
⊥
CD
.
因为
AC
⊥
CD
,
PA
∩
AC
=
A
,所以
CD
⊥平面
PAC
.
又
AE
⊂
平面
PAC
,所以
CD
⊥
AE
.
(2)由
AB
=
BC
,∠
ABC
=60
°
,可得△
ABC
是等边三角形,所以
AB
=
AC
,所以
AC
=
PA
.
因为
E
是
PC
的中点,所以
AE
⊥
PC
.由(1)知,
AE
⊥
CD
,又
PC
∩
CD
=
C
,
所以
AE
⊥平面
PCD
.又
PD
⊂
平面
PCD
,所以
AE
⊥
PD
.
因为
PA
⊥平面
ABCD
,
AB
⊂
平面
ABCD
,所以
PA
⊥
AB
.
又
AB
⊥
AD
,
PA
∩
AD
=
A
,所以
AB
⊥平面
PAD
,
又
PD
⊂
平面
PAD
,所以
AB
⊥
PD
.
又
AE
∩
AB
=
A
,所以
PD
⊥平面
ABE
.
方法总结
证明线面垂直的常用方法及关键
(1)证明直线和平面垂直的常用方法:①判定定理;②垂直于平面的传递性
(
a
∥
b
,
a
⊥
α
⇒
b
⊥
α
);③面面平行的性质(
a
⊥
α
,
α
∥
β
⇒
a
⊥
β
);④面面垂直的性
质.
(2)证明线面垂直的关键是证线线垂直,而证明线线垂直需借助线面垂直的
性质.因此,判定定理与性质定理的合理转化是证明线面垂直的基本思想.
考法二
平面与平面垂直的判定与性质问题
例2
如图,在四棱锥
P
-
ABCD
中,
O
为
AB
的中点,平面
POC
⊥平面
ABCD
,
AD
∥
BC
,
AB
⊥
BC
,
PA
=
PB
=
BC
=
AB
=2,
AD
=3.
(1)求证:平面
PAB
⊥平面
ABCD
;
(2)求二面角
O
-
PD
-
C
的余弦值.
解题导引
(1)要证平面
PAB
⊥平面
ABCD
,需在其中一个平面内找一条直
线,证其与另一个平面垂直,结合已知,考虑证
PO
⊥平面
ABCD
(
PO
⊂
平面
PAB
),而
PO
⊥
AB
易证,关键证
PO
⊥
CD
;再由已知平面
POC
⊥平面
ABCD
,考
虑两平面垂直的性质.若用性质,需找出其交线
OC
,再找出与
OC
垂直的直线
CD
,此时
CD
⊥平面
POC
,证得
CD
⊥
OP
,
OP
⊥平面
ABCD
即证.
(2)寻找特殊点作出二面角
O
-
PD
-
C
的平面角,作出与
PD
垂直的平面是关键,
取
OD
的中点
F
,过
F
作
FG
⊥
PD
于
G
,连接
CG
,
CF
,易证
PD
⊥平面
CFG
,则∠
CGF
即为二面角
O
-
PD
-
C
的平面角,求解直角三角形即得余弦值;当然本问
也可用向量法求解.
解析
(1)证明:∵
PA
=
PB
,
O
为
AB
的中点,
AB
=2,
∴
PO
⊥
AB
,
AO
=
BO
=1.过点
C
作
CE
∥
AB
交
AD
于
E
,∵
AD
∥
BC
,
AB
⊥
BC
,∴四
边形
ABCE
是矩形,∴
AE
=
BC
=2,
CE
=
AB
=2,又∵
AD
=3,∴
DE
=1,∴
CD
=
=
,∵
AD
∥
BC
,
AB
⊥
BC
,∴
AD
⊥
AB
,在Rt△
BOC
中,由勾股定
理得
OC
=
=
=
.在Rt△
AOD
中,由勾股定理得
OD
=
=
=
,显然
OD
2
=
OC
2
+
CD
2
=10,∴
CD
⊥
OC
,∵平面
POC
⊥平面
ABCD
,平面
POC
∩
平面
ABCD
=
OC
,∴
CD
⊥平面
POC
,又
PO
⊂
平面
POC
,∴
CD
⊥
PO
,易知
AB
与
CD
相交,∴
PO
⊥平面
ABCD
,∵
PO
⊂
平面
PAB
,∴平面
PAB
⊥平面
ABCD
.
(2)解法一:取
OD
的中点
F
,过
F
作
FG
⊥
PD
于
G
,连接
CG
,
CF
.
∵
OC
=
CD
=
,∴
CF
⊥
OD
.∵
PO
⊥平面
ABCD
,∴
CF
⊥
PO
,又
OD
∩
PO
=
O
,∴
CF
⊥平面
POD
,∴
CF
⊥
PD
,又∵
FG
⊥
PD
,
CF
∩
FG
=
F
,∴
PD
⊥平面
CFG
,∴
PD
⊥
CG
,∴∠
CGF
为二面角
O
-
PD
-
C
的平面角.
∵
OP
=
=
,
OD
=
,∠
POD
=90
°
,
∴
PD
=
,又∵
DF
=
OD
=
,
∴
FG
=
DF
·sin∠
PDO
=
×
=
,
又∵
CF
=
=
=
,
∴
CG
=
=
=
=
,
∴cos∠
CGF
=
=
÷
=
×
=
.
故二面角
O
-
PD
-
C
的余弦值为
.
解法二:如图,建立空间直角坐标系
O
-
xyz
,
则
P
(0,0,
),
D
(-1,3,0),
C
(1,2,0),∴
=(0,0,
),
=(-1,3,0),
=(-1,-2,
),
=(-2,1,0).
设平面
OPD
的法向量为
n
1
=(
x
1
,
y
1
,
z
1
),
平面
PCD
的法向量为
n
2
=(
x
2
,
y
2
,
z
2
).
由
可得
取
y
1
=1,得
x
1
=3,即
n
1
=(3,1,0).
由
可得
取
x
2
=
,得
y
2
=2
,
z
2
=5,即
n
2
=(
,2
,5),
∴cos<
n
1
,
n
2
>=
=
=
,
故二面角
O
-
PD
-
C
的余弦值为
.
方法总结
证明面面垂直的常用方法
1.利用面面垂直的定义(作出两平面构成的二面角的平面角,计算平面角为
90
°
);
2.利用面面垂直的判定定理:
a
⊥
β
,
a
⊂
α
⇒
α
⊥
β
.
3.证明两个平面垂直,通常是通过证明线线垂直→线面垂直→面面垂直来
实现的,因此,在关于垂直问题的论证中要注意线线垂直、线面垂直、面面
垂直的相互转化.
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