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- 2021-06-16 发布
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11.2 平面的基本事实与推论
学 习 目 标
核 心 素 养
1.掌握平面的画法及表示方法.(一般)
2.掌握平面的基本事实及推论.(重点)
3.能用图形、文字、符号三种语言描述平面的基本事实,并能解决空间线面的位置关系问题.(难点)
1.通过平面画法的学习,培养直观想象的数学核心素养.
2.借助平面基本事实及推论,培养逻辑推理的数学核心素养.
通过前面的学习,我们直观认识了点、线、面之间的位置关系,空间中的点、线、面都是我们抽象出来的一些数学概念,如从平静的水面中可抽象出平面的概念.现在我们将在直观认识的基础上来论证空间点、线、面之间的关系,以进一步培养同学们的空间想象能力和逻辑推理能力.
思考:空间中的3个点需具备怎样的条件才能确定一个平面?
1.平面的基本事实
公理
内容
图形
符号
作用
基本事实1
经过不在一条直线上的3个点,
A,B,C三点不共线⇒
①确定平面的依据;
有且只有一个平面
存在唯一的平面α使A,B,C∈α
②判定点、线共面
基本事实2
如果一条直线上的两个点在一个平面内,那么这条直线在这个平面内
A∈α,B∈α⇒直线AB⊂α
①判定直线是否在平面内;
②判断一个面是否是平面
基本事实3
如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该点的公共直线
P∈α,P∈β⇒α∩β=l,且P∈l
①判定两个平面相交的依据;②判定点在直线上;
③证明三点共线或三线共点
2.平面基本事实的推论
推论1 经过一条直线与直线外一点,有且只有一个平面(图①).
推论2 经过两条相交直线,有且只有一个平面(图②).
推论3 经过两条平行直线,有且只有一个平面(图③).
1.思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)三点可以确定一个平面. ( )
(2)一条直线和一个点可以确定一个平面. ( )
(3)四边形是平面图形. ( )
(4)两条相交直线可以确定一个平面. ( )
[提示] (1)错误.不共线的三点可以确定一个平面.
(2)错误.一条直线和直线外一个点可以确定一个平面.
(3)错误.四边形不一定是平面图形.
(4)正确.两条相交直线可以确定一个平面.
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√
2.如图所示的平行四边形MNPQ表示的平面不能记为 ( )
A.平面MN B.平面NQ
C.平面α D.平面MNPQ
A [MN是平行四边形MNPQ的一条边,不是对角线,所以不能记作平面MN.]
3.能确定一个平面的条件是( )
A.空间三个点 B.一个点和一条直线
C.无数个点 D.两条相交直线
D [不在同一条直线上的三个点可确定一个平面,A,B,C条件不能保证有不在同一条直线上的三个点,故不正确.]
4.如图,填入相应的符号:A________平面ABC,A________平面BCD,BD______平面ABC,平面ABC∩平面ACD=________.
[答案] ∈ ∉ ⊄ AC
线共点问题
【例1】 如图,已知平面α,β,且α∩β=l.在梯形ABCD中,AD∥BC,且AB⊂α,CD⊂β.求证:AB,CD,l共点(相交于一点).
[证明] 因为在梯形ABCD中,AD∥BC,所以AB,CD是梯形ABCD的两腰.
所以AB,CD必定相交于一点.
设AB∩CD=M.
因为AB⊂α,CD⊂β,所以M∈α,M∈β.
所以M∈α∩β.
又因为α∩β=l,所以M∈l.
即AB,CD,l共点(相交于一点).
证明线共点问题的方法
(1)方法1:可把其中一条作为分别过其余两条直线的两个平面的交线,然后再证两条直线的交点在此直线上.
(2)方法2:先将其中一条直线看作某两个平面的交线,证明该交线与另两条直线分别交于两点,再证点重合,从而得三线共点.
1.如图所示,在空间四边形ABCD中,E,F分别为AB,AD的中点,G,H分别在BC,CD上,且BG∶GC=DH∶HC=1∶2,求证:
(1)E,F,H,G四点共面.
(2)EG与HF的交点在直线AC上.
[证明] (1)因为BG∶GC=DH∶HC=1∶2,所以GH∥BD.
因为E,F分别为AB,AD的中点,所以EF∥BD,所以EF∥GH.
所以E,F,H,G四点共面.
(2)因为G,H不是BC,CD的中点,
所以EF∥GH,且EF≠GH,
所以EG与FH必相交,设交点为M,
因为EG⊂平面ABC,HF⊂平面ACD,所以M∈平面ABC,且M∈平面ACD,因为平面ABC∩平面ACD=AC,
所以M∈AC,
所以EG与HF的交点在直线AC上.
点、线共面问题
【例2】 已知四条直线两两相交,且不共点,求证:这四条直线在同一平面内.
[思路探究] 四条直线两两相交且不共点,可能有两种情况:一是有三条直线共点;二是任意三条直线都不共点,故要分两种情况.
[解] 已知:a,b,c,d四条直线两两相交,且不共点,求证:a,b,c,d四线共面.
证明:(1)若a,b,c三线共点于O,如图所示,∵O∉d,
∴经过d与点O有且只有一个平面α.
∵A,B,C分别是d与a,b,c的交点,
∴A,B,C三点在平面α内.
由基本事实1知a,b,c都在平面α内,
故a,b,c,d共面.
(2)若a,b,c,d无三线共点,如图所示,
∵a∩b=A,
∴经过a,b有且仅有一个平面α,
∴B,C∈α.由基本事实1知c⊂α.
同理,d⊂α,从而有a,b,c,d共面.
综上所述,四条直线两两相交,且不共点,这四条直线在同一平面内.
证明点、线共面问题的常用方法
(1)先由部分点、线确定一个面,再证其余的点、线都在这个平面内,即用纳入法.
(2)先由其中一部分点、线确定一个平面α,其余点、线确定另一个平面β,再证平面α与β重合,即用同一法.
(3)假设不共面,结合题设推出矛盾,用反证法.
2.一条直线与三条平行直线都相交,求证:这四条直线共面.
[解] 已知:a∥b∥c,l∩a=A,l∩b=B,l∩c=C.
求证:直线a,b,c,l共面.
证明:法一:∵a∥b,∴a,b确定一个平面α,
∵l∩a=A,l∩b=B,∴A∈α,B∈α,故l⊂α.
又∵a∥c,∴a,c确定一个平面β.
同理可证l⊂β,∴α∩β=a且α∩β=l.
∵过两条相交直线a,l有且只有一个平面,
故α与β重合,即直线a,b,c,l共面.
法二:由法一得a,b,l共面α,也就是说b在a,l确定的平面α内.
同理可证c在a,l确定的平面α内.
∵过a和l只能确定一个平面,∴a,b,c,l共面.
点共线问题
[探究问题]
1.如图,在正方体ABCDA1B1C1D1中,设A1C∩平面ABC1D1=E.能否判断点E在平面A1BCD1内?
[提示] 如图,连接BD1,
∵A1C∩平面ABC1D1=E,
∴E∈A1C,E∈平面ABC1D1.
∵A1C⊂平面A1BCD1,
∴E∈平面A1BCD1.
2.上述问题中,你能证明B,E,D1三点共线吗?
[提示] 由于平面A1BCD1与平面ABC1D1交于直线BD1,又E∈BD1,根据基本事实3可知B,E,D1三点共线.
【例3】 如图,在正方体ABCDA1B1C1D1中,点M,N,E,F分别是棱CD,AB,DD1,AA1上的点,若MN与EF交于点Q,求证:D,A,Q三点共线.
[证明] 因为MN∩EF=Q,
所以Q∈直线MN,Q∈直线EF,
又因为M∈直线CD,N∈直线AB,
CD⊂平面ABCD,AB⊂平面ABCD.
所以M,N∈平面ABCD,
所以MN⊂平面ABCD.所以Q∈平面ABCD.
同理,可得EF⊂平面ADD1A1.所以Q∈平面ADD1A1.
又因为平面ABCD∩平面ADD1A1=AD,
所以Q∈直线AD,即D,A,Q三点共线.
点共线的证明方法
(1)方法1:证明多点共线通常利用基本事实3,即两相交平面交线的唯一性,通过证明点分别在两个平面内,证明点在相交平面的交线上.
(2)方法2:选择其中两点确定一条直线,然后证明其他点也在此直线上.
3.如图所示,四边形ABCD中,已知AB∥CD,AB,BC,DC,AD(或延长线)分别与平面α相交于E,F,G,H,求证:E,F,G,H必在同一直线上.
[证明] 因为AB∥CD,所以AB,CD确定平面AC,因为AB∩α=E,所以E∈平面AC,E∈α,由基本事实3可知,E必在平面AC与平面α的交线上.同理F,G,H都在平面AC与平面α的交线上,因此E,F,G,H必在同一直线上.
确定两平面的交线(截面)问题
【例4】 如图,在四面体ABCD中作截面PQR,若RP,DC的延长线交于点M,试画出平面PQR与平面BCD的交线.
[解] ∵M∈CD,M∈RP,直线PR⊂平面PQR,直线CD⊂平面BCD,∴M是平面PQR与平面BCD的一个公共点,即点M在平面PQR与平面BCD的交线l上.
同理,设RQ,DB的延长线交于点N,则点N也在l上.连接MN,则直线MN即为平面PQR与平面BCD的交线l.如图所示.
确定两平面交线的方法
画两个平面的交线只需两个公共点即可确定,作图时应充分利用几何体本身提供的线面、面面平行等条件,可以更快地确定交线的位置.另外,画几何体的截面,关键是画截面与几何体各面的交线,转化为画两个平面的交线问题.
4.已知正方体ABCDA1B1C1D1的体积为1,点M在线段BC上(点M异于B,C两点),点N为线段CC1的中点.若平面AMN截正方体ABCDA1B1C1D1所得的截面为四边形,则线段BM长度的取值范围为( )
A. B.
C. D.
B [当点M为线段BC的中点时,由题意可得截面为四边形AMND1.当0<BM≤时,截面为四边形,当BM>时,截面为五边形.所以要想平面AMN截正方体ABCDA1B1C1D1所得的截面为四边形,则线段BM长度的取值范围为.故选B.]
知识:
三个基本事实的作用
基本事实1及平面基本事实的推论——确定平面及判定点共面、线共面的依据.
基本事实2——判定直线在平面内的依据.
基本事实3——判定点共线、线共点的依据.
方法:
了解三线共点、三点共线、点线共面的证明方法,详见例题后的规律方法,此处不再赘述.
1.在下列各种面中,不能被认为是平面的一部分的是( )
A.黑板面 B.乒乓球桌面
C.篮球的表面 D.平静的水面
C [篮球的表面是曲面,不能认为是平面的一部分.]
2.空间中四点可确定的平面个数有( )
A.1个 B.3个
C.4个 D.1个或4个或无数个
D [当四个点共线时,确定无数个平面;当四个点不共线时,若四点共面,可确定1个平面,若四点不共面,可确定4个平面,∴空间中四点可确定的平面有1个或4个或无数个.]
3.设平面α与平面β交于直线l,A∈α,B∈α,且直线AB∩l=C,则直线AB∩β=________.
C [∵α∩β=l,AB∩l=C,∴C∈β,C∈AB,∴AB∩β=C.]
4.如图,三个平面α,β,γ两两相交于三条直线,即α∩β=c,β∩γ=a,γ∩α=b,若直线a和b不平行.
求证:a,b,c三条直线必过同一点.
[证明] ∵α∩γ=b,β∩γ=a,∴a⊂γ,b⊂γ.
由于直线a和b不平行,
∴a,b必相交.
设a∩b=P,如图,则P∈a,P∈b.
∵a⊂β,b⊂α,∴P∈β,P∈α.
又α∩β=c,∴P∈c,即交线c经过点P.
∴a,b,c三条直线相交于同一点.
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