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- 2021-06-10 发布
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学案44 空间的垂直关系
导学目标: 1.以立体几何的定义、公理和定理为出发点,认识和理解空间中线面垂直的有关性质与判定定理.2.能运用公理、定理和已获得的结论证明一些空间图形的垂直关系的简单命题.
自主梳理
1.直线与平面垂直
(1)判定直线和平面垂直的方法
①定义法.
②利用判定定理:一条直线和一个平面内的两条______直线都垂直,则该直线与此平面垂直.
③推论:如果在两条平行直线中,有一条垂直于一个平面,那么另一条直线也______这个平面.
(2)直线和平面垂直的性质
①直线垂直于平面,则垂直于平面内______直线.
②垂直于同一个平面的两条直线______.
③垂直于同一直线的两个平面________.
2.直线与平面所成的角
平面的一条斜线和它在平面内的________所成的锐角,叫做这条直线和这个平面所成的角.
一直线垂直于平面,说它们所成角为________;直线l∥α或l⊂α,则它们成________角.
3.平面与平面垂直
(1)平面与平面垂直的判定方法
①定义法.
②利用判定定理:一个平面过另一个平面的__________,则这两个平面垂直.
(2)平面与平面垂直的性质
两个平面垂直,则一个平面内垂直于________的直线与另一个平面垂直.
4.二面角的平面角
以二面角棱上的任一点为端点,在两个半平面内分别作与棱________的射线,则两射线所成的角叫做二面角的平面角.
自我检测
1.平面α⊥平面β的一个充分条件是( )
A.存在一条直线l,l⊥α,l⊥β
B.存在一个平面γ,γ∥α,γ∥β
C.存在一个平面γ,γ⊥α,γ⊥β
D.存在一条直线l,l⊥α,l∥β
2.(2010·浙江)设l,m是两条不同的直线,α是一个平面,则下列命题正确的是( )
A.若l⊥m,m⊂α,则l⊥α
B.若l⊥α,l∥m,则m⊥α
C.若l∥α,m⊂α,则l∥m
D.若l∥α,m∥α,则l∥m
3.(2011·长沙模拟)对于不重合的两个平面α与β,给定下列条件:
①存在平面γ,使得α,β都垂直于γ;
②存在平面γ,使得α,β都平行于γ;
③存在直线l⊂α,直线m⊂β,使得l∥m;
④存在异面直线l、m,使得l∥α,l∥β,m∥α,m∥β.
其中,可以判定α与β平行的条件有( )
A.1个 B.2个
C.3个 D.4个
4.(2011·十堰月考)已知m,n是两条不同直线,α,β,γ是三个不同平面,下列命题中正确的是( )
A.若m∥α,n∥α,则m∥n
B.若α⊥γ,β⊥γ,则α∥β
C.若m∥α,m∥β,则α∥β
D.若m⊥α,n⊥α,则m∥n
5.(2011·大纲全国)已知点E、F分别在正方体ABCD-A1B1C1D1的棱BB1、CC1上,且B1E=2EB,CF=2FC1,则面AEF与面ABC所成的二面角的正切值为________.
探究点一 线面垂直的判定与性质
例1 Rt△ABC所在平面外一点S,且SA=SB=SC,D为斜边AC的中点.
(1)求证:SD⊥平面ABC;
(2)若AB=BC.求证:BD⊥平面SAC.
变式迁移1
在四棱锥V—ABCD中,底面ABCD是正方形,侧面VAD是正三角形,平面VAD⊥底面ABCD.证明:AB⊥VD.
探究点二 面面垂直的判定与性质
例2 (2011·邯郸月考)如图所示,已知四棱柱ABCD—A1B1C1D1的底面为正方形,O1、O分别为上、下底面的中心,且A1在底面ABCD内的射影是O.求证:平面O1DC⊥平面ABCD.
变式迁移2 (2011·江苏)如图,在四棱锥P-ABCD中,平面PAD⊥平面ABCD,AB=AD,∠BAD=60°,E,F分别是AP,AD的中点.
求证:(1)直线EF∥平面PCD;
(2)平面BEF⊥平面PAD.
探究点三 直线与平面,平面与平面所成的角
例3 (2009·湖北)如图,四棱锥S—ABCD的底面是正方形,SD⊥平面ABCD,SD=2a,AD=a,点E是SD上的点,且DE=λa(0<λ≤2).
(1)求证:对任意的λ∈(0,2],都有AC⊥BE;
(2)设二面角C—AE—D的大小为θ,直线BE与平面ABCD所成的角为φ,若tan θtan φ=1,求λ的值.
变式迁移3 (2009·北京)如图,在三棱锥P—ABC中,PA⊥底面ABC,PA=AB,∠ABC=60°,∠BCA=90°,点D、E分别在棱PB、PC上,且DE∥BC.
(1)求证:BC⊥ 平面PAC.
(2)当D为PB的中点时,求AD与平面PAC所成角的正弦值.
(3)是否存在点E使得二面角A—DE—P为直二面角?并说明理由.
转化与化归思想综合应用
例 (12分)已知四棱锥P—ABCD,底面ABCD是∠A=60°的
菱形,又PD⊥底面ABCD,点M、N分别是棱AD、PC的中点.
(1)证明:DN∥平面PMB;
(2)证明:平面PMB⊥平面PAD.
多角度审题 (1)在平面PMB内找到(或构造)一条直线与DN平行即可;(2)要证面PMB⊥面PAD,只需证明MB⊥面PAD即可.
【答题模板】
证明 (1)
取PB中点Q,连接MQ、NQ,因为M、N分别是棱AD、PC的中点,所以QN∥BC∥MD,且QN=MD,故四边形QNDM是平行四边形,
于是DN∥MQ.
又∵MQ⊂平面PMB,DN⊄平面PMB
∴DN∥平面PMB.[6分]
(2)∵PD⊥平面ABCD,MB⊂平面ABCD,∴PD⊥MB.
又因为底面ABCD是∠A=60°的菱形,且M为AD中点,
所以MB⊥AD.又AD∩PD=D,所以MB⊥平面PAD.
又∵MB⊂平面PMB,∴平面PMB⊥平面PAD.[12分]
【突破思维障碍】
立体几何的证明问题充分体现线面关系的转化思想,其思路为:
1.证明线面垂直的方法:(1)线面垂直的定义:a与α内任何直线都垂直⇒a⊥α;(2)判定定理1:⇒l⊥α;(3)判定定理2:a∥b,a⊥α⇒b⊥α;(4)面面平行的性质:α∥β,a⊥α⇒a⊥β;(5)面面垂直的性质:α⊥β,α∩β=l,a⊂α,a⊥l⇒a⊥β.
2.证明线线垂直的方法:(1)定义:两条直线的夹角为90°;(2)平面几何中证明线线垂直的方法;(3)线面垂直的性质:a⊥α,b⊂α⇒a⊥b;(4)线面垂直的性质:a⊥α,b∥α⇒a⊥b.
3.证明面面垂直的方法:(1)利用定义:两个平面相交,所成的二面角是直二面角;(2)判定定理:a⊂α,a⊥β⇒α⊥β.
(满分:75分)
一、选择题(每小题5分,共25分)
1.(2011·滨州月考)已知直线a,b和平面α,β,且a⊥α,b⊥β,那么α⊥β是a⊥b的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充分必要条件 D.既不充分也不必要条件
2.已知两个不同的平面α、β和两条不重合的直线m、n,有下列四个命题:
①若m∥n,m⊥α,则n⊥α;②若m⊥α,m⊥β,则α∥β;③若m⊥α,m∥n,n⊂β,则α⊥β;④若m∥α,α∩β=n,则m∥n.
其中正确命题的个数是( )
A.0 B.1 C.2 D.3
3.设α,β,γ是三个不重合的平面,l是直线,给出下列四个命题:
①若α⊥β,l⊥β,则l∥α;②若l⊥α,l∥β,则α⊥β;
③若l上有两点到α的距离相等,则l∥α;④若α⊥β,α∥γ,则γ⊥β.
其中正确命题的序号是( )
A.①② B.①④ C.②④ D.③④
4.(2011·浙江)下列命题中错误的是( )
A.如果平面α⊥平面β,那么平面α内一定存在直线平行于平面β
B.如果平面α不垂直于平面β,那么平面α内一定不存在直线垂直于平面β
C.如果平面α⊥平面γ,平面β⊥平面γ,α∩β=l,那么l⊥平面γ
D.如果平面α⊥平面β,那么平面α内所有直线都垂直于平面β
5.平面α的斜线AB交α于点B,过定点A的动直线l与AB垂直,且交α于点C,则动点C的轨迹是( )
A.一条直线 B.一个圆
C.一个椭圆 D.双曲线的一支
二、填空题(每小题4分,共12分)
6.如图所示,四棱锥P—ABCD的底面ABCD是边长为a的正方形,侧棱PA=a,PB=PD=a,则它的5个面中,互相垂直的面有________对.
7.(2011·金华模拟)如图所示,正方体ABCD—A1B1C1D1的棱长是1,过A点作平面A1BD的垂线,
垂足为点H,有下列三个命题:
①点H是△A1BD的中心;
②AH垂直于平面CB1D1;③AC1与B1C所成的角是90°.其中正确命题的序号是____________.
8.正四棱锥S-ABCD底面边长为2,高为2,E是边BC的中点,动点P在表面上运动,并且总保持PE⊥AC,则动点P的轨迹的周长为________.
三、解答题(共38分)
9.(12分)(2010·山东)在如图所示的
几何体中,四边形ABCD是正方形,MA⊥平面ABCD,PD∥MA,E、G、F分别为MB、PB、PC的中点,且AD=PD=2MA.
(1)求证:平面EFG⊥平面PDC;
(2)求三棱锥P-MAB与四棱锥P-ABCD的体积之比.
10.(12分)(2009·天津)如图,
在四棱锥P—ABCD中,PD⊥平面ABCD,AD⊥CD,DB平分∠ADC,E为PC的中点,AD=CD=1,DB=2.
(1)证明:PA∥平面BDE;
(2)证明:AC⊥平面PBD;
(3)求直线BC与平面PBD所成的角的正切值.
11.(14分)(2011·杭州调研)如图所示,已知正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为AB的中点.
(1)求直线B1C与DE所成角的余弦值;
(2)求证:平面EB1D⊥平面B1CD;
(3)求二面角E-B1C-D的余弦值.
学案44 空间的垂直关系
自主梳理
1.(1)②相交 ③垂直 (2)①任意 ②平行 ③平行
2.射影 直角 0° 3.(1)②一条垂线 (2)交线 4.垂直
自我检测
1.D 2.B 3.B 4.D 5.
课堂活动区
例1 解题导引 线面垂直的判断方法是:证明直线垂直平面内的两条相交直线.即从“线线垂直”到“线面垂直”.
证明
(1)取AB中点E,连接SE,DE,在Rt△ABC中,D、E分别为AC、AB的中点,
故DE∥BC,且DE⊥AB,
∵SA=SB,
∴△SAB为等腰三角形,∴SE⊥AB.
∵SE⊥AB,DE⊥AB,SE∩DE=E,
∴AB⊥面SDE.而SD⊂面SDE,∴AB⊥SD.
在△SAC中,SA=SC,D为AC的中点,∴SD⊥AC.
∵SD⊥AC,SD⊥AB,AC∩AB=A,
∴SD⊥平面ABC.
(2)若AB=BC,则BD⊥AC,
由(1)可知,SD⊥面ABC,而BD⊂面ABC,
∴SD⊥BD.
∵SD⊥BD,BD⊥AC,SD∩AC=D,
∴BD⊥平面SAC.
变式迁移1 证明 ∵平面VAD⊥平面ABCD,
AB⊥AD,AB⊂平面ABCD,
AD=平面VAD∩平面ABCD,
∴AB⊥平面VAD.
∵VD⊂平面VAD,∴AB⊥VD.
例2 解题导引 证明面面垂直,可先证线面垂直,即设法先找到其中一个平面的一条垂线,再证明这条垂线在另一个平面内或与另一个平面内的一条直线平行.
证明 如图所示,连接AC,BD,A1C1,则O为AC,BD的交点,O1为A1C1,B1D1的交点.
由棱柱的性质知:
A1O1∥OC,且A1O1=OC,
∴四边形A1OCO1为平行四边形,
∴A1O∥O1C,
又A1O⊥平面ABCD,∴O1C⊥平面ABCD,
又O1C⊂平面O1DC,
∴平面O1DC⊥平面ABCD.
变式迁移2
证明 (1)如图,在△PAD中,因为E,F分别为AP,AD的中点,所以EF∥PD.又因为EF⊄平面PCD,PD⊂平面PCD,
所以直线EF∥平面PCD.
(2)连接BD.因为AB=AD,∠BAD=60°,所以△ABD为正三角形.
因为F是AD的中点,所以BF⊥AD.
因为平面PAD⊥平面ABCD,BF⊂平面ABCD,
平面PAD∩平面ABCD=AD,所以BF⊥平面PAD.
又因为BF⊂平面BEF,所以平面BEF⊥平面PAD.
例3 解题导引 高考中对直线与平面所成的角及二面角的考查是热点之一.有时在客观题中考查,更多的是在解答题中考查.
求这两种空间角的步骤:(几何法).
根据线面角的定义或二面角的平面角的定义,作(找)出该角,再解三角形求出该角,步骤是作(找)→认(指)→求.
(1)证明 如图所示,连接BD,由底面ABCD是正方形可得AC⊥BD.
∵SD⊥平面ABCD,∴BD是BE在平面ABCD上的射影,∴AC⊥BE.
(2)解 如图所示,由SD⊥平面ABCD,CD⊂平面ABCD,
∴SD⊥CD.
又底面ABCD是正方形,
∴CD⊥AD.又SD∩AD=D,
∴CD⊥平面SAD.
过点D在平面SAD内作DF⊥AE于F,连接CF,则CF⊥AE,故∠CFD是二面角C—AE—D的平面角,即∠CFD=θ.
在Rt△BDE中,∵BD=2a,DE=λa,
∴tan φ==.
在Rt△ADE中,∵AD=a=CD,DE=λa,
∴AE=a,
从而DF==.
在Rt△CDF中,tan θ==,
由tan θ·tan φ=1,得
·=1⇒=2⇒λ2=2.
由λ∈(0,2],解得λ=,即为所求.
变式迁移3 (1)证明 ∵PA⊥底面ABC,∴PA⊥BC.
又∠BCA=90°,∴AC⊥BC.又AC∩PA=A,
∴BC⊥平面PAC.
(2)解 ∵D为PB的中点,DE∥BC,∴DE=BC.
又由(1)知,BC⊥平面PAC,
∴DE⊥平面PAC,垂足为点E.
∴∠DAE是AD与平面PAC所成的角.
∵PA⊥底面ABC,∴PA⊥AB.
又PA=AB,∴△ABP为等腰直角三角形.
∴AD=AB.
在Rt△ABC中,∠ABC=60°,∴BC=AB.
∴在Rt△ADE中,sin∠DAE===.
∴AD与平面PAC所成的角的正弦值为.
(3)解 ∵DE∥BC,又由(1)知,BC⊥平面PAC,
∴DE⊥平面PAC.
又∵AE⊂平面PAC,PE⊂平面PAC,
∴DE⊥AE,DE⊥PE.
∴∠AEP为二面角A—DE—P的平面角.
∵PA⊥底面ABC,∴PA⊥AC,∴∠PAC=90°.
∴在棱PC上存在一点E,使得AE⊥PC.
这时,∠AEP=90°,
故存在点E使得二面角A—DE—P是直二面角.
课后练习区
1.C 2.D 3.C
4.D [两个平面α,β垂直时,设交线为l,则在平面α内与l平行的直线都平行于平面β,故A正确;如果平面α内存在直线垂直于平面β,那么由面面垂直的判定定理知α⊥β,故B正确;两个平面都与第三个平面垂直时,易证交线与第三个平面垂直,故C正确;两个平面α,β垂直时,平面α内与交线平行的直线与β平行,故D错误.]
5.A
6.5
解析 面PAB⊥面PAD,
面PAB⊥面ABCD,面PAB⊥面PBC,
面PAD⊥面ABCD,面PAD⊥面PCD.
7.①②③
解析 由于ABCD—A1B1C1D1是正方体,所以A—A1BD是一个正三棱锥,因此A点在平面A1BD上的射影H是三角形A1BD的中心,故①正确;又因为平面CB1D1与平面A1BD平行,所以AH⊥平面CB1D1,故②正确;从而可得AC1⊥平面CB1D1,即AC1与B1C垂直,所成的角等于90°.
8.+
解析 如图取CD的中点F,SC的中点G,连接EF,GF,GE.
则AC⊥平面GEF,故动点P的轨迹是△EFG的三边.
又EF=DB=,
GE=GF=SB=,
∴EF+FG+GE=+.
9.(1)证明 因为MA⊥平面ABCD,
PD∥MA,所以PD⊥平面ABCD.
又BC⊂平面ABCD,所以PD⊥BC.(2分)
因为四边形ABCD为正方形,
所以BC⊥DC.
又PD∩DC=D,所以BC⊥平面PDC.(4分)
在△PBC中,因为G、F分别为PB、PC的中点,
所以GF∥BC,所以GF⊥平面PDC.又GF⊂平面EFG,
所以平面EFG⊥平面PDC.(6分)
(2)解 因为PD⊥平面ABCD,四边形ABCD为正方形,不妨设MA=1,
则PD=AD=2,
所以VP-ABCD=S正方形ABCD·PD=.(8分)
由题意可知,DA⊥平面MAB,且PD∥MA,
所以DA即为点P到平面MAB的距离,
所以VP-MAB=××1×2×2=.(10分)
所以VP-MAB∶VP-ABCD=1∶4.(12分)
10.(1)证明
设AC∩BD=H,连接EH.在△ADC中,因为AD=CD,且DB平分∠ADC,所以H为AC的中点,又由题设,知E为PC的中点,故EH∥PA.又EH⊂平面BDE,且PA⊄平面BDE,
所以PA∥平面BDE.(4分)
(2)证明 因为PD⊥平面ABCD,AC⊂平面ABCD,所以PD⊥AC.由(Ⅰ)可得,DB⊥AC.又PD∩DB=D,
故AC⊥平面PBD.(8分)
(3)解 由AC⊥平面PBD可知,BH为BC在平面PBD内的射影,所以∠CBH为直线BC与平面PBD所成的角.
由AD⊥CD,AD=CD=1,DB=2,可得DH=CH=,BH=.
在Rt△BHC中,tan∠CBH==.
所以直线BC与平面PBD所成的角的正切值为.
(12分)
11.(1)解 连接A1D,则由A1D∥B1C知,B1C与DE所成角即为A1D与DE所成角.(2分)
连接A1E,可设正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为a,
则A1D=a,
A1E=DE=a,
∴cos∠A1DE=
=.
∴直线B1C与DE所成角的余弦值是.(6分)
(2)证明 取B1C的中点F,B1D的中点G,
连接BF,EG,GF.∵CD⊥平面BCC1B1,
且BF⊂平面BCC1B1,∴CD⊥BF.
又∵BF⊥B1C,CD∩B1C=C,
∴BF⊥平面B1CD.(8分)
又∵GF綊CD,BE綊CD,
∴GF綊BE,∴四边形BFGE是平行四边形,
∴BF∥GE,∴GE⊥平面B1CD.
∵GE⊂平面EB1D,
∴平面EB1D⊥B1CD.(10分)
(3)解 连接EF.
∵CD⊥B1C,GF∥CD,∴GF⊥B1C.
又∵GE⊥平面B1CD,∴GE⊥B1C.
又∵GE∩GF=G,∴B1C⊥平面GEF,∴EF⊥B1C,
∴∠EFG是二面角E-B1C-D的平面角.(12分)
设正方体的棱长为a,则在△EFG中,
GF=a,EF=a,GE⊥GF,∴cos∠EFG==,
∴二面角E-B1C-D的余弦值为.(14分)