内容正文:
第十一章 11.2 平面的基本事实与推论
知识层面
1.掌握平面的画法及表示方法.
2.掌握平面的基本事实及推论.
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.
素养层面
通过平面画法的学习,培养直观想象核心素养;借助平面的基本事实及推论,培养逻辑推理核心素养.
新知导学
1
课时测评
4
合作探究
2
内容索引
随堂演练
3
新知导学
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问题导思
问题1.我们知道,两点可以确定一条直线,那么几点可以确定一个平面?
提示:不共线的三点.
问题2.如果直线l与平面α有一个公共点P,直线l是否在平面α内?如果直线l与平面α有两个公共点呢?
提示:不在平面α内;在平面α内.
问题3.把三角尺的一个角立在课桌面上,三角尺所在平面与课桌面所在平面是否只交于一点?
提示:不是,相交于一条直线.
新知构建
知识点一 平面的基本事实
1.基本事实1
自然语言 图形语言 符号语言
经过不在一条直线上的3个点,有且只有一个平面.可简单地说成“不共线的3点确定一个平面” 三点A,B,C,A∉直线BC⇒有且只有一个平面α,使A∈α,B∈α,C∈α
微提醒
(1)“有且只有一个”有两层含义,“有”表示存在,“只有一个”表示唯一,所以“有且只有一个”表示存在并且唯一,这就表明这个图形是确定的,所以也可以说成“确定一个”.
(2)值得注意的是,如果给定的3个点在同一直线上,那么有无数个平面通过这3个点,也就是说,此时这3个点不能“确定”一个平面.
(3)基本事实1的作用:①确定平面;②证明点、线共面.
2.基本事实2
自然语言 图形语言 符号语言
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
微提醒
(1)从集合的角度看,基本事实2可以表述为:如果一条直线(点集)上有两个点(元素)属于一个平面(点集),那么这条直线就是这个平面的真子集.这个结论阐述了两个观点:一是整条直线在平面内;二是直线上所有点在平面内.
(2)基本事实2的作用是判断直线是否在平面内,点是否在平面内,也可以用来检验面是否为平面.根据性质,如果直线上有两个点在平面内,那么这条直线在平面内,判断的关键是抓住在平面内的点的个数,因为两点确定一条直线,从而两个点就能够代表整条直线,进而可判断直线是否在平面内.
3.基本事实3
自然语言 图形语言 符号语言
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 A∈α,且A∈B⇒α∩β=a,且A∈a
基本事实3说明,两个不重合的平面,只要有一个公共点,就一定有无数个公共点,而且这无数个公共点能组成一条直线,这条直线通常也称为两个平面的交线.
微提醒
(1)基本事实3反映了平面与平面的位置关系——相交,只要“两面共有一点”就有“两面共有一条直线”,且点在直线上,直线是唯一的.
(2)基本事实3的作用:①判断两个平面是否相交.只要两个平面有公共点,则这两个平面就相交.②解决点在线上或点共线问题.若点是某两个平面的公共点,则该点在这两个平面的交线上.
知识点二 平面基本事实的推论
推论 自然语言 图形语言
推论1 经过一条直线与直线外一点,有且只有一个平面
推论2 经过两条相交直线,有且只有一个平面
推论3 经过两条平行直线,有且只有一个平面
自主检测
1.若空间四点A,B,C,D共面而不共线,那么这四点中
A.必有三点共线 B.必有三点不共线
C.至少有三点共线 D.不可能有三点共线
√
空间四点A,B、C、D共面而不共线,则至少有一点不在其余点中的两点确定的直线上,如C∉AB,无论C点在何位置,C,A,B三点都不共线.
根据点、直线、平面间的关系,点与平面间的关系应该是属于的关系,所以C选项中α∩β=A应该是A∈(α∩β),故C选项是错误的.故选C.
2.下列结论不正确的是
√
因为直线a⊂平面α,直线b⊂平面α,M∈a,N∈b,所以M∈平面α,N∈平面α.又因为M∈l,N∈l,所以l⊂α.故选A.
3.如果直线a⊂平面α,直线b⊂平面α,M∈a,N∈b,M∈l,N∈l,则
A.l⊂α B.l⊄α
C.l∩α=M D.l∩α=N
√
因为平面α∩β=l,点A∈α,B∈α,C∈β,且C∉l,所以C∈β,且C∉α,又AB∩l=D,
所以D∈α,D∈CD,过A、B、C三点确定的平面记作γ,所以β∩γ为直线CD.故选D.
4.如图,α∩β=l,A∈α,B∈α,C∈β,C∉l,直线AB∩l=D,过A,B,C三点确定的平面为γ,则平面γ,β的交线必过
A.点A
B.点B
C.点C,但不过点D
D.点C和点D
√
如图,既与AB共面也与CC1共面的棱有CD,BC,BB1,AA1,C1D1,共5条.
5.平行六面体ABCD-A1B1C1D1中,既与AB共面也与CC1共面的棱的条数为________.
5
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合作探究
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例1
题型一 证明点共线问题
(一题多解)如图,△ABC在平面α外,AB∩α=P,AC∩α=R,BC∩α=Q.求证:P,Q,R三点共线.
点拨:思路一 分别证明P,Q,R三点均在平面ABC和平面α内,利用基本事实3即可得出结论;
思路二 利用直线AP与AR确定平面APR,由平面APR∩α=PR,再证点Q在直线PR上即可.
证明:方法一 因为AB∩α=P,所以P∈AB,P∈平面α.
又AB⊂平面ABC,所以P∈平面ABC,由基本事实3可知,P点在平面ABC与平面α的交线上.
同理可证Q,R两点也在平面ABC与平面α的交线上,
所以P,Q,R三点共线.
方法二 因为AP∩AR=A,
所以直线AP与直线AR确定平面APR.
又AB∩α=P,AC∩α=R,所以平面APR∩平面α=PR.
因为B∈平面APR,C∈平面APR,所以BC⊂平面APR.
又Q∈BC,所以Q∈平面APR.
又Q∈α,所以Q∈PR,所以P,Q,R三点共线.
规律方法
证明点共线问题的常用方法
证明点共线问题常用的方法有两种:(1)先找出两个平面,然后证明这些点都是这两个平面的公共点,根据基本事实3可知,这些点都在交线上,从而共线;(2)选择其中两点确定一条直线,然后证明其他点也在该直线上.
对点练1.在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E、F分别是线段BC、A1D1的中点.求证:
(1)四边形B1EDF是菱形.
证明:取AD的中点G,连接FG,BG,如图所示,
因为B1B∥FG,B1B=FG,
所以四边形B1BGF为平行四边形,所以BG∥B1F.
由ABCD -A1B1C1D1为正方体,且E,G分别为线段BC,
AD的中点,
可得四边形BEDG为平行四边形,所以BG∥DE,BG=
DE,
则B1F∥DE,且B1F=DE,即四边形B1EDF为平行四边形,
由△B1BE≌△B1A1F,可得B1E=B1F,所以四边形B1EDF是菱形.
(2)直线A1C与平面B1FDE的交点与E、F三点共线.
证明:因为A1B1∥CD,所以A1,B1,C,D四点共面,
连接B1D,设直线A1C与B1D的交点为O,
因为O∈B1D,B1D⊂平面B1FDE,
所以O∈平面B1FDE,同理O∈平面A1BCD1,
因为平面B1FDE∩平面A1CBD1=EF.
所以O在EF上,即O、E、F三点共线.
例2
题型二 证明线共点问题
三个平面两两相交得到三条交线,如果其中的两条相交于一点,那么第三条也经过这个点.
点拨:当试题是文字证明问题时,先要根据题意将其转化为符号语言,即写出它的已知和求证,然后应用相关的方法进行证明.
证明:已知:点A,直线a,b,c,平面α,β,γ,满足α∩β=a,β∩γ=b,γ∩α=c,a∩b=A.
求证:A∈c.
证明:因为a∩b=A,所以A∈a,A∈b,
又α∩β=a,β∩γ=b,
所以a⊂α,b⊂γ,所以A∈α,A∈γ.
而α∩γ=c,所以A∈c.
规律方法
证明三线共点的思路是,先证明两条直线交于一点,再证明第三条直线经过该点,常结合平面的基本事实与推论,证明该点在不重合的两个平面内,故该点在它们的“交界”(第三条直线)上,从而证明三线共点.
对点练2.如图,正方体ABCD-A′B′C′D′中,P,Q,R分别在棱AB,BB′,CC′上,且DP,RQ相交于点O.
求证:DP,RQ,BC三线共点.
证明:因为DP∩RQ=O,
所以O∈RQ且O∈DP,
又DP⊂平面ABCD,RQ⊂平面BB′C′C,
所以O∈平面ABCD且O∈平面BCC′B′,
又平面ABCD∩平面BCC′B=BC,
所以O∈BC,所以DP,RQ,BC三线共点.
例3
题型三 证明共面问题
已知a,b,c,d是两两相交且不共点的四条直线,求证:a,b,c,d共面.
点拨:四条直线两两相交且不过同一点,可分成两种情况:一是有三条直线共点;二是任意三条直线都不共点.因而本题需分类后再进行各自的证明.需要注意的是,要根据条件画出满足条件的所有图形的情况进行证明.先证其中两条直线确定一个平面,再证其他直线也在这个平面内.
证明:(1)有三线共点的情况,如图.
设b,c,d三线相交于点K,
与直线a分别交于点N,P,M,且K∉a.
因为K∉a,所以点K和直线a确定一个平面,设该平面为α.
因为N∈a,a⊂α,所以N∈α.
所以NK⊂α,即b⊂α.
同理,c⊂α,d⊂α.
所以a,b,c,d共面.
(2)无三线共点情况,如图.
设a∩d=M,b∩d=N,c∩d=P,a∩b=Q,a∩c=R,b∩c=S.
因为a∩d=M,所以直线a,d可确定一个平面α.
因为N∈d,Q∈a,所以N∈α,Q∈α.
所以NQ⊂α,即b⊂α.
同理,c⊂α,所以a,b,c,d共面.
由(1)(2)知,a,b,c,d共面.
规律方法
证明共面问题的常用方法
1.纳入平面法:先确定一个平面,再证明有关点、线在此平面内.
2.辅助平面法:先证明有关的点、线确定平面α,再证明其余点、线确定平面β,最后证明平面α,β重合.
对点练3.如图,在三棱柱A1B1C1-ABC中,E,F,G,H分别为BB1,CC1,A1B1,A1C1的中点.证明:
(1)E,F,G,H四点共面;
证明:如图,连接EF,GH.
因为GH是△A1B1C1的中位线,
所以GH∥B1C1.
因为B1E∥C1F,且B1E=C1F,
所以四边形B1EFC1是平行四边形,
所以EF∥B1C1,
所以EF∥GH,
所以E,F,G,H四点共面.
(2)EG,FH,AA1三线共点.
证明:如图,延长EG,FH相交于点P.
因为P∈EG,EG⊂平面ABB1A1,
所以P∈平面ABB1A1.
所以P∈FH,FH⊂平面ACC1A1.
所以P∈平面ACC1A1.
因为平面ABB1A1∩平面ACC1A1=AA1,
所以P∈AA1,
所以EG,FH,AA1三线共点.
例4
题型四 确定两个平面的交线
如图所示,E,F分别为正方体ABCD-A1B1C1D1的棱CC1和AA1的中点,试画出平面BED1F与平面ABCD的交线.
点拨:
找出两个平面的公共点
→
两公共点的连线所在直线就是两个平面的交线
解:如图所示,在平面AA1D1D内,D1F与DA不平行,分别延长D1F与DA,则D1F与DA必相交,设交点为M.
因为M∈D1F,M∈DA,D1F⊂平面BED1F,DA⊂平面ABCD,
所以M∈平面BED1F∩平面ABCD.
又B∈平面BED1F∩平面ABCD,
连接MB,则MB=平面BED1F∩平面ABCD.
即直线MB为所求两平面的交线.
规律方法
基本事实3告诉我们,如果两个平面有一个公共点,那么它们必定还有其他公共点,只要找出这两个平面的两个公共点,就找到了它们的交线.因此求两个平面的交线的突破口是找到这两个平面的两个公共点.
对点练4.在长方体ABCD-A1B1C1D1中,P为棱BB1的中点,画出由A1,C1,P三点所确定的平面α与长方体表面的交线,并作出平面α与平面ABCD的交线.
解:平面α与长方体表面的交线(A1P,C1P,A1C1)如图①所示.
平面α与平面ABCD的交线可以这样确定:延长C1P,则它与CB的延长线一定相交,设交点为M,则M是平面α与平面ABCD的一个公共点;同理,延长A1P交AB的延长线于点N,则N也是平面α与平面ABCD的一个公共点,连接MN,则直线MN就是平面α与平面ABCD的交线,如图②所示.
易错精析
易错点 忽略基本事实及推论应用的条件致误
已知A,B,C,D,E五点中,A,B,C,D共面,B,C,D,E共面,则A,B,C,D,E五点的位置关系是
A.共面 B.不共面
C.共线 D.不确定
典例
正解:(1)如果B,C,D三点不共线,则它们确定一个平面α,
因为A,B,C,D共面,所以点A在平面α内,
因为B,C,D,E共面,所以点E在平面α内.所以点A,E都在平面α内,即A,B,C,D,E五点一定共面.
√
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(2)如果B,C,D三点共线于l,
若A∈l,E∈l,则A,B,C,D,E五点一定共面.
若A,E中有且只有一个点在l上,则A,B,C,D,E五点一定共面.
若A,E都不在l上,则A,B,C,D,E五点可能不共面.
综上所述,A,B,C,D,E五点可能共线,也可能不共线;可能共面,也可能不共面.
易错探因:本题在求解时,要用到平面的基本事实1,但同学们容易忽略基本事实1中“不在一条直线上的3个点”这个重要条件,从而得出A,B,C,D,E五点共面的错误结论.
误区警示:在立体几何中,空间点、线、面之间的位置关系不确定时,要注意分类讨论,避免片面地考虑问题.对于确定平面问题,在应用基本事实1及三个推论时一定要注意它们成立的前提条件.
随堂演练
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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,所以空间中四点可确定的平面有1个或4个或无数个.故选D.
1.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
√
不在同一条直线上的三个点可确定一个平面,A,B,C中的条件不能保证有不在同一条直线上的三个点,故不正确.故选D.
2.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
√
选项C中,共面不具有传递性,故C错误;A,B,D均正确.
3.(多选)已知α,β为平面,A,B,M,N为点,a,b,c为直线,下列推理正确的是
A.A∈a,A∈β,B∈a,B∈β⇒a⊂β
B.M∈α,M∈β,N∈α,N∈β,且α,β不重合⇒α∩β=MN
C.若直线a,b共面,直线a,c共面,则直线b,c共面
D.A,B,M∈α,A,B,M∈β,且A,B,M不共线⇒α,β重合
√
√
√
4.如图,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,试根据图形填空:
(1)平面AB1∩平面A1C1=________;
(2)平面A1C1CA∩平面AC=________;
(3)平面A1C1CA∩平面D1B1BD=________;
(4)平面A1C1,平面B1C,平面AB1的公共点为________.
A1B1
AC
OO1
B1
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课时测评
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由题意,分析可知,工人师傅运用的数学原理是:两条相交直线确定一个平面. 故选A.
1.工人师傅在检测椅子的四个“脚”是否在同一个平面上时,只需连接对“脚”的两条线段,看它们是否相交,就知道它们是否合格.工人师傅运用的数学原理是
A.两条相交直线确定一个平面
B.两条平行直线确定一个平面
C.四点确定一个平面
D.直线及直线外一点确定一个平面
√
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在长方体ABCD -A1B1C1D1中,直线A1C与平面AB1D1的交点为M,O为线段B1D1的中点,因为A,M,O三点既在平面AB1D1内,又在平面AA1C内,而两平面相交为一条直线,故A,M,O三点共线;M,O,A1,A四点共面;A,O,C,M四点共面;故A、B、D都正确; 由长方体的结构特征知BB1OM是空间四边形,故B,B1,O,M不共面,故C错误.故选C.
2.在长方体ABCD -A1B1C1D1中,直线A1C与平面AB1D1的交点为M,O为线段B1D1的中点,则下列结论错误的是
A.A,M,O三点共线 B. M,O,A1,A四点共面
C.B,B1,O,M四点共面 D.A,O,C,M四点共面
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根据概念可知经过共线3个点的平面有无数个.故C正确.
3.经过同一条直线上的3个点的平面
A.有且只有一个 B.有且只有3个
C.有无数个 D.不存在
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对于A,两条相互平行的直线可以确定一个平面,故A正确; 对于B,如果有三点共线,因为直线及直线外一点确定一个平面,所以这四个点必共面,与四点不共面矛盾,故B正确; 对于C,两条平行直线可以确定一个平面,也没有公共点,故C错误; 对于D,垂直于同一个平面的两条直线一定平行,所以两条异面直线不可能垂直同一平面,故D正确.故选ABD.
4.(多选)下列四个命题中正确的是
A.若两条直线互相平行,则这两条直线确定一个平面
B.若四点不共面,则这四点中任意三点都不共线
C.若两条直线没有公共点,则这两条直线是异面直线
D. 两条异面直线不可能垂直于同一个平面
√
√
√
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5.(多选)下列四个命题中真命题的是
A.两两相交且不过同一点的三条直线必在同一平面内
B.过空间中任意三点有且仅有一个平面
C.若空间两条直线不相交,则这两条直线平行
D.若直线l⊂平面α,直线m⊥平面α,则m⊥l
√
√
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所以AB⊂α,即l3⊂α,故两两相交且不过同一点的三条直线必在同一平面内,正确,故A是真命题; 对于B,若空间三点共线,则过这三点有无数个平面,故B是假命题; 对于C,若空间两条直线不相交,则这两条直线平行或异面,故C是假命题; 对于D,因为直线m⊥平面α,则m与平面α内的任意直线都垂直,又直线l⊂平面α,则m⊥l,故D是真命题,故选AD.
对于A、可设l1与l2相交,这两条直线确定的平面为α; 若l3与l1相交,则交点B在平面α内,同理,l3与l2的交点A也在平面α内,
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因为m∩n=P,所以P∈m,P∈n,又因为m⊂α,n⊂β,所以P∈α,P∈β,所以P∈α∩β,又因为α∩β=l,所以P∈l.
6.已知α,β是不同的平面,l,m,n是不同的直线,P为空间中一点.若α∩β=l,m⊂α,n⊂β,m∩n=P,则点P与直线l的位置关系用符号表示为________.
P∈l
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因为平面α∩平面β=直线l,点A∈l,点B∉l,B∈α,点C∉l,C∈β,所以A,B∈α,A,C∈β,A,B,C∈平面ABC,C∉α,B∉β,所以平面ABC∩α=AB,平面ABC∩β=AC,因为点A∈l,点B∉l,点C∉l,所以平面ABC∩l=A.
7.已知平面α∩平面β=直线l,点A∈l,点B∉l,B∈α,点C∉l,C∈β,则平面ABC∩α=________,平面ABC∩β=________.平面ABC∩l=________.
AB
AC
A
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三条直线两两平行,但不共面,可以确定3个平面; 共点的三条直线有两种情况:若共面只能确定1个平面,若不共面可以确定3个平面.
8.三条直线两两平行,但不共面,可以确定________个平面;共点的三条直线可以确定________个平面.
3
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证明:因为在梯形ABCD中,AD∥BC,
所以AB,CD是梯形ABCD的两条腰,
所以AB,CD必定相交于一点,
设AB∩CD=M.
又因为AB⊂α,CD⊂β,
所以M∈α,且M∈β,
所以M∈(α∩β).
又因为α∩β=l,所以M∈l,
即AB,CD,l共点.
9.(10分)如图,已知平面α,β,且α∩β=l,设梯形ABCD中,AD∥BC,且AB⊂α,CD⊂β,求证:AB,CD,l共点(相交于一点).
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10.(10分)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.
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解:如图所示.因为M∈CD,M∈RP,直线PR⊂平面PQR,直线CD⊂平面BCD,
所以M是平面PQR与平面BCD的一个公共点,
即M在平面PQR与平面BCD的交线上(设交线为l).
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.
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11.(5分)已知正方体ABCD-A1B1C1D1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ABCD-A1B1C1D1所得的截面为四边形,则线段BM长度的取值范围为
√
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如图,因为AC∥BD,所以AC,BD确定一个平面,设该平面为β,则C,D,l均在平面β内,因为点O在直线l上,所以点O在平面β内,又点O,C,D在平面α内,所以平面α,β相交于O,C,D三点所在直线(基本事实3),故O,C,D三点共线.
12.(5分)若直线l与平面α相交于点O,A,B∈l,C,D∈α,且AC∥BD,则O,C,D三点的位置关系是________.
共线
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证明:因为PQ⊂平面PQR,M∈直线PQ,
所以M∈平面PQR.
因为RQ⊂平面PQR,N∈直线RQ,
所以N∈平面PQR.
所以直线MN⊂平面PQR.
13.(13分)如图,在四面体ABCD中作截面PQR,若PQ与CB的延长线交于点M,RQ与DB的延长线交于点N,RP与DC的延长线交于点K.
(1)求证:直线MN⊂平面PQR;(5分)
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证明:因为M∈直线CB,CB⊂平面BCD,
所以M∈平面BCD.
由(1)知M∈平面PQR,
所以M在平面PQR与平面BCD的交线上,
同理可知N,K也在平面PQR与平面BCD的交线上,
所以M,N,K三点共线,
所以点K在直线MN上.
(2)求证:点K在直线MN上.(8分)
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14.(17分)正方体是常见并且重要的多面体,对它的研究有助于我们对立体几何一些概念的理解和掌握.如图所示,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F,G,H分别是所在棱的中点,请思考并回答下列问题:
(1)直线EF,GH,DC能交于一点吗?(8分)
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(2)若E,F,G,H四点共面,怎样才能画出过四点E,F,G,H的平面与正方体的截面?(6分)
解:如图②,延长HG交DD1的延长线于点R,延长FE交DA的延长线于点Q,
则点R,Q是截面所在平面与平面ADD1A1的公共点,连接RQ,与A1D1,A1A分别交于点M,T,连接GM,TE,FH,可得截面所在平面与正方体各面的交线分别为EF,FH,HG,GM,MT,TE.截面如图②中的阴影部分所示.
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(3)若正方体的棱长为a,那么(2)中的截面面积是多少?(3分)
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第
十
一
章
立
体
几
何
初
步
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