专题2.3 直线、平面垂直的判定及其性质-20届高中数学同步讲义人教版(必修2)
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1、一、直线与平面垂直的判定1直线与平面垂直定义如果直线l与平面内的_直线都垂直,我们就说直线l与平面互相垂直记法l有关概念直线l叫做平面的_,平面叫做直线l的_直线与平面垂直时,它们唯一的公共点P叫做_图示画法画直线与平面垂直时,通常把直线画成与表示平面的平行四边形的一边垂直(1)定义中的“任意一条直线”这一词语与“所有直线”是同义语,与“无数条直线”不是同义语(2)直线与平面垂直是直线与平面相交的一种特殊形式(3)由直线与平面垂直的定义,得如果一条直线垂直于一个平面,那么这条直线垂直于该平面内的任意一条直线2直线与平面垂直的判定定理文字语言一条直线与一个平面内的两条_直线都垂直,则该直线与此平
2、面垂直图形语言符号语言la,lb,a,b,_l作用判断直线与平面_(1)直线与平面垂直的判定定理告诉我们:可以通过直线间的垂直来证明直线与平面垂直通常我们将其记为“线线垂直,则线面垂直”因此,处理线面垂直转化为处理线线垂直来解决也就是说,以后证明一条直线和一个平面垂直,只要在这个平面内找到两条相交直线和已知直线垂直即可学科&网(2)在应用该定理判断一条直线和一个平面垂直时,一定要注意是这条直线和平面内的两条相交直线垂直,而不是任意的两条直线3直线和平面所成的角(1)定义:一条直线和一个平面_,但不和这个平面_,这条直线叫做这个平面的斜线,斜线和平面的_叫做斜足过斜线上斜足以外的一点向平面引_,
3、过_和_的直线叫做斜线在这个平面上的射影平面的一条斜线和它在平面上的射影所成的_,叫做这条直线和这个平面所成的角(2)规定:一条直线垂直于平面,我们说它们所成的角等于_;一条直线和平面平行,或在平面内,我们说它们所成的角等于_因此,直线与平面所成的角的范围是_二、平面与平面垂直的判定1二面角概念平面内的一条直线把平面分成两部分,这两部分通常称为_从一条直线出发的两个_所组成的图形叫做二面角这条直线叫做二面角的_,这两个半平面叫做二面角的_图示二面角的平面角文字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_的射线,则这两条射线构成的_叫做这个二面角的平面角图示符号OA,OB,
4、l,Ol,OAl,OBlAOB是二面角的平面角范围0, 二面角的大小及记法规定二面角的大小可以用它的_来度量,二面角的平面角是多少度,就说这个二面角是多少度平面角是_的二面角叫做直二面角记法棱为l,面分别为,的二面角记为_如图所示,也可在,内(棱以外的半平面部分)分别取点P,Q,将这个二面角记作二面角_【温馨提示】二面角是从空间一条直线出发的两个半平面所组成的图形;平面角可以把角理解为一个旋转量,二面角也可以看作是一个半平面以其棱为轴旋转而成,二面角的大小反映了两个相交平面的位置关系知识剖析(1)二面角的平面角的大小是由二面角的两个面的位置唯一确定的,与选择棱上的点的位置无关(2)平面角的两边
5、分别在二面角的两个面内,且两边都与二面角的棱垂直,这个角所确定的平面与棱垂直2平面与平面垂直(1)定义:两个平面相交,如果它们所成的二面角是_,就说这两个平面互相垂直平面与平面垂直,记作_(2)画法:两个互相垂直的平面通常把直立平面的竖边画成与水平平面的_垂直如图所示学科!网3平面与平面垂直的判定定理文字语言一个平面过另一个平面的_,则这两个平面垂直图形语言符号语言l,_作用判断两平面_【温馨提示】平面与平面垂直的判定定理告诉我们,可以通过直线与平面垂直来证明平面与平面垂直通常我们将其记为:线面垂直,则面面垂直因此处理面面垂直问题(即空间问题)转化为处理线面垂直问题,进一步转化为处理线线垂直问
6、题(即平面问题)来解决三、直线与平面垂直的性质定理文字语言垂直于同一个平面的两条直线_符号语言_图形语言作用(1)证明两直线_;(2)构造平行线【温馨提示】直线与平面垂直的性质定理给出了判断两条直线平行的另一种方法,即“线面垂直,则线线平行”,它揭示了“平行”与“垂直”的内在联系直线与平面垂直的性质(1) ;(2) ;(3) ;(4) ;(5) 四、平面与平面垂直的性质定理文字语言两个平面垂直,则_垂直于_的直线与另一个平面_符号语言图形语言作用证明直线与平面_【温馨提示】平面与平面垂直的性质定理给出了判断直线与平面垂直的另一种方法,即“面面垂直,则线面垂直”,揭示了线面垂直与面面垂直的内在联
7、系垂直关系之间的相互转化K知识参考答案:一、1 任意一条 垂线 垂面 垂足 2 相交 垂直3(1)相交 垂直 交点 垂线 垂足 斜足 锐角 (2) 二、1 半平面 半平面 棱 面 棱 角 平面角 直角 2(1)直二面角 (2)横边 3 垂线 垂直 学科&网三、平行 平行四、 一个平面内 交线 垂直 垂直K重点1直线与平面垂直的判定,平面与平面垂直的判定;2直线与平面垂直的性质定理,平面与平面垂直的性质定理K难点1灵活应用直线与平面垂直的判定定理、平面与平面垂直的判定定理解决问题,求二面角;2直线与平面垂直的性质定理的应用,平面与平面垂直的性质定理的应用K易错1使用判定定理时忽略条件致误;2面面
8、垂直的条件把握不准确致误1线面垂直判定定理的应用证明线面垂直时要注意分析几何图形,寻找隐含的和题目中推导出的线线垂直关系,进而证明线面垂直三角形全等、等腰三角形底边的角平分线、中线、高;菱形、正方形的对角线、三角形中的勾股定理等都是找线线垂直的方法学科&网【例1】如图,在中,ABC90,D是AC的中点,S是所在平面外一点,且SASBSC(1)求证:SD平面ABC;(2)若ABBC,求证:BD平面SAC【答案】证明详见解析2面面垂直判定定理的应用证明平面与平面垂直的方法:【例2】如图,四棱锥SABCD中,四边形ABCD为菱形,SDSB(1)求证:平面SAC平面SBD;(2)求证:平面SAC平面A
9、BCD【答案】证明详见解析【名师点睛】根据面面垂直的定义判定两平面垂直实质上是把问题转化成了求二面角的平面角,通常情况下利用判定定理要比定义简单些,判定定理是证明面面垂直的常用方法 ,即要证面面垂直,只要证明线面垂直,其关键与难点是在其中一个平面内寻找一直线与另一平面垂直学科*网3直线与平面所成的角求直线与平面所成的角的方法:(1)求直线和平面所成角的步骤:寻找过斜线上一点与平面垂直的直线;连接垂足和斜足得到斜线在平面上的射影,斜线与其射影所成的锐角或直角即为所求的角;把该角归结在某个三角形中,通过解三角形,求出该角(2)求线面角的技巧:在上述步骤中,其中作角是关键,而确定斜线在平面内的射影是
10、作角的关键,几何图形的特征是找射影的依据,射影一般都是一些特殊的点,比如中心、垂心、重心等【例3】在三棱锥中,平面,如图所示(1)证明:;(2)求与平面所成角的正弦值【答案】(1)证明详见解析(2)(2)由(1)知、两两垂直,如图,取的中点,连接、,过作的垂线,为垂足,由得,又由平面,得,则平面,于是,故平面,则就是直线与平面所成的角在中,则即与平面所成角的正弦值为 4二面角求二面角大小的步骤:简称为“一作二证三求”作平面角时,一定要注意顶点的选择【例4】已知ABCD是正方形,E是AB的中点,将和分别沿DE、CE折起,使AE与BE重合,A、B两点重合后记为点P,那么二面角PCDE的大小为_【答
11、案】【解析】如图,取CD中点F,连接PF、EF【名师点睛】(1)二面角的平面角的顶点是二面角棱上任意一点为了解题方便,可以把其放在某一特殊位置,这要具体问题具体分析学科*网(2)求二面角的关键是找出(或作出)平面角,再把平面角放到三角形中求解一般采取垂线法来作平面角,即过二面角的一个半平面内且不在棱上的一点作另一个半平面的垂线,过垂足作棱的垂线,利用线面垂直可找到二面角的平面角或其补角5垂直的综合应用【例5】如图,在四棱锥中,底面是平行四边形,为的中点,平面,为的中点(1)证明:平面;(2)求直线与平面所成角的正切值【答案】证明详见解析【例6】如图,已知三棱锥PABC,ACB90,CB4,AB
12、20,D为AB的中点,且是正三角形,PAPC(1)求证:平面PAC平面ABC;(2)求二面角DAPC的正弦值;(3)若M为PB的中点,求三棱锥MBCD的体积【答案】证明详见解析(2)PAPC,且PAPB,BPC是二面角DAPC的平面角由(1)知BC平面PAC,则BCPC,学科*网则二面角DAPC的正弦值为(3)为的中点,为的中点,且,由(1)知PA平面PBC,DM平面PBC,【名师点睛】本题的题设条件有三个:是直角三角形,;是正三角形;D是AB的中点,PDDB10解答本题(1),只需证线面垂直,进而由线面垂直证明面面垂直;对于(2),首先应找出二面角的平面角,然后求其正弦值;解答第(3)小题的
13、关键是用等体积法求解6直线与平面垂直的性质定理的应用线面垂直的性质定理、公理4及线面平行的性质定理都是证明线线平行的依据,至于线面平行、面面平行,归结到最后还是要先证明线线平行【例7】如图,正方体A1B1C1D1ABCD中,EF与异面直线AC,A1D都垂直相交求证:EFBD1【答案】证明详见解析 【名师点睛】当题中垂直条件很多,但又需证两直线平行关系时,就要考虑直线和平面垂直的性质定理,从而完成垂直向平行的转化7平面与平面垂直的性质定理的应用在运用面面垂直的性质定理时,若没有与交线垂直的直线,则一般需作辅助线,基本作法是过其中一个平面内一点作交线的垂线,这样就把面面垂直转化为线面垂直,进而转化
14、为线线垂直【例8】已知:,l求证:l【答案】证明详见解析【解析】证法1:在内取一点P,作PA垂直与的交线于A,作PB垂直与的交线于B,则PA,PB,l,lPA,lPB,PA与PB相交,又PA,PB,l证法2:在内作直线m垂直于与的交线,在内作直线n垂直于与的交线,m,n,mn,又n,m,又m,l,ml,l【名师点睛】证法一、证法二都是利用“两平面垂直时,在一个平面内垂直于两平面的交线的直线垂直于另一个平面”的这一性质,添加了在一个平面内垂直于交线的直线这样的辅助线这是证法一、证法二的关键证法三是利用“如果两个平面互相垂直,那么经过第一个平面内的一点垂直于第二个平面的直线,在第一个平面内”这一性
15、质,添加了l这条辅助线,这是证法三的关键通过此例,应仔细体会两平面垂直时,添加辅助线的方法学科&网8平面与平面垂直的性质定理的应用【例9】如图,点P在所确定的平面外,于点,于点 求证: 【错解】因为,所以所以,所以 【错因分析】本题错解的原因在于没有正确使用线面垂直的判定定理,由 得,而忽略了“垂直于平面内两条相交直线”这一条件,即【正解】因为,所以 又,所以平面因为, 所以 【易错点睛】应用直线与平面垂直的判定定理时,要熟记定理的应用条件,不能忽略“两条相交直线”这一关键点9不能正确找出二面角的平面角【例10】如图,在四棱锥PABCD中,底面ABCD为平行四边形,PA平面ABCD,且,求二面
16、角的大小【错解】如图,过A在底面ABCD内作AECD于E,连接PEPA平面ABCD,CD平面ABCD,PACD又PAAEA,CD平面PAE学科%网又PE平面PAE,CDPE,PEA为二面角PCDB的平面角(以下略)【错因分析】点E的位置应首先由已知的数量关系确定,而不是盲目地按三垂线法直接作出在找二面角的平面角时,一般按照先找后作的原则,避免盲目地按三垂线法作二面角的平面角【正解】, ACD90,即ACCD又PA平面ABCD,CD平面ABCD,PACD又PAACA,CD平面PAC又PC平面PAC,PCCD,PCA是二面角PCDB的平面角在中,PCA45故二面角PCDB的大小为4510定理的条件
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