内容正文:
第八章 立体几何
第四节 空间直线、平面的垂直
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01
基础知识必备
02
考点知识突破
03
高考预测练
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任意一条
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两条相交直线
平行
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锐角
∠PAO
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两个半平面
垂直于棱
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垂线
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交线
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“课下练习”见“高考预测练(三十四)”
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1.直线与平面垂直
(1)直线与平面垂直的定义:直线l与平面α内的____________直线都垂直,就说直线l与平面α互相垂直.
(2)直线与平面垂直的判定定理及性质定理:
文字语言
图形语言
符号语言
判定定理
一条直线与一个平面内的________________都垂直,则该直线与此平面垂直
性质定理
垂直于同一个平面的两条直线________
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________,叫做这条直线和这个平面所成的角.一条直线垂直于平面,就说它们所成的角是直角;一条直线和平面平行,或在平面内,就说它们所成的角是0°的角.如图所示,___________就是斜线AP与平面α所成的角.
(2)线面角0的范围:θ∈___________.
eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))
3.二面角的有关概念
(1)二面角:从一条直线出发的______________所组成的图形叫做二面角.
(2)二面角的平面角:以二面角的棱上任一点为端点,在两个半平面内分别作____________的两条射线,则这两条射线所成的角叫做二面角的平面角.
4.平面与平面垂直的判定定理与性质定理
文字语言
图形语言
符号语言
判定定理
一个平面过另一个平面的________,则这两个平面垂直
性质定理
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
1.与“直线与平面垂直”有关的结论
(1)直线与平面垂直的定义常常逆用,即a⊥α,b⊂α⇒a⊥b.
(2)若两条平行直线中的一条垂直于一个平面,则另一条也垂直于该平面.
(3)垂直于同一条直线的两个平面平行.
(4)过一点有且只有一条直线与已知平面垂直.
(5)过一点有且只有一个平面与已知直线平行.
2.三垂线定理
在平面内的一条直线,如果和穿过这个平面的一条斜线在这个平面内的射影垂直,那么它也和这条斜线垂直.
3.三垂线定理的逆定理
平面内的一条直线如果和穿过该平面的一条斜线垂直,那么它也和这条斜线在该平面内的射影垂直.
直线与平面、平面与平面垂直的判定与性质
角度一 直线与平面垂直的判定与性质
(2024·全国甲卷(理))设α、β为两个平面,m、n为两条直线,且α∩β=m.下列四个命题:
①若m∥n,则n∥α或n∥β
②若m⊥n,则n⊥α或n⊥β
③若n∥α且n∥β,则m∥n
④若n与α,β所成的角相等,则m⊥n
其中所有真命题的编号是( )
A.①③
B.②④
C.①②③
D.①③④
【解析】 α∩β=m,则m⊂α,m⊂β,对于①,若m∥n,则n∥α或n∥β,①正确;对于②,若m⊥n,则可能n∥α或n与α相交,②错误;对于③,若n∥α且n∥β,则n∥m,③正确;对于④,n与m所成角可以为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))内的任意角,④错误.故选A.
【答案】 A
判定线面垂直的四种方法
[针对训练]1.如图,在直三棱柱ABCA1B1C1中,底面ABC是正三角形,M,N分别是AB,AA1的中点,且A1M⊥B1N.
求证:B1N⊥A1C.
证明:连接CM,在直三棱柱ABCA1B1C1中,AA1⊥平面ABC,CM⊂平面ABC,所以AA1⊥CM.
在△ABC中,AC=BC,AM=BM,所以CM⊥AB.
又AA1∩AB=A,所以CM⊥平面ABB1A1.
因为B1N⊂平面ABB1A1,所以CM⊥B1N.
又A1M⊥B1N,A1M∩CM=M,所以B1N⊥平面A1CM.
因为A1C⊂平面A1CM,所以B1N⊥A1C.
角度二 平面与平面垂直的判定与性质
如图,在四棱锥PABCD中,底面ABCD为矩形,平面PAD⊥平面ABCD,PA⊥PD,PA=PD,E为AD的中点.
(1)求证:PE⊥BC;
(2)求证:平面PAB⊥平面PCD.
【证明】 (1)因为PA=PD,E为AD的中点,所以PE⊥AD.因为底面ABCD为矩形,所以BC∥AD.所以PE⊥BC.
(2)因为底面ABCD为矩形,所以AB⊥AD.又因为平面PAD⊥平面ABCD,所以AB⊥平面PAD.所以AB⊥PD.又因为PA⊥PD,所以PD⊥平面PAB.所以平面PAB⊥平面PCD.
判定面面垂直的方法
(1)定义法:利用面面垂直的定义,即判定两平面所成的二面角为直二面角,将证明面面垂直的问题转化为证明平面角为直角的问题.
(2)定理法:利用面面垂直的判定定理,即证明其中一个平面经过另一个平面的一条垂线,进而把问题转化为证明线线垂直加以解决.
[针对训练]
2.如图,在三棱锥ABCD中,△ABC是等边三角形,∠BAD=∠BCD=90°,点P是AC的中点,连接BP,DP.证明:平面ACD⊥平面BDP.
证明:因为△ABC是等边三角形,∠BAD=∠BCD=90°,
所以Rt△ABD≌Rt△CBD,可得AD=CD.
因为点P是AC的中点,所以PD⊥AC,PB⊥AC,
因为PD∩PB=P,PD⊂平面PBD,PB⊂平面PBD,
所以AC⊥平面PBD.
因为AC⊂平面ACD,所以平面ACD⊥平面BDP.
直线与平面所成的角与二面角
(1)如图,在长方体ABCDA1B1C1D1中,AB=AD=2eq \r(3),CC1=eq \r(2),二面角C1BDC的大小为________.
【解析】 如图,连接AC交BD于点O,连接C1O,
因为C1D=C1B,O为BD中点,所以C1O⊥BD.
因为AC⊥BD,所以∠C1OC是二面角C1BDC的平面角,在Rt△C1CO中,C1C=eq \r(2),则C1O=2eq \r(2),所以sin∠C1OC=eq \f(C1C,C1O)=eq \f(1,2),
所以∠C1OC=30°.
【答案】 30°
(2)(2023·新课标Ⅱ卷)已知圆锥的顶点为P,底面圆心为O,AB为底面直径,∠APB=120°,PA=2,点C在底面圆周上,且二面角P-AC-O为45°,则( )
A.该圆锥的体积为π
B.该圆锥的侧面积为4eq \r(3)π
C.AC=2eq \r(2)
D.△PAC的面积为eq \r(3)
【解析】 在△PAB中,由余弦定理得AB=2eq \r(3),如图,连接PO,易知圆锥的高h=PO=1,底面圆的半径r=AO=BO=eq \r(3),对于A,该圆锥的体积V=eq \f(1,3)πr2h=π,故A选项正确;对于B,该圆锥的侧面积S侧=πr·PA=2eq \r(3)π,故B选项错误;对于C,取AC的中点H,连接PH,OH,因为OA=OC,所以OH⊥AC,同理可得PH⊥AC,
则二面角P-AC-O的平面角为∠PHO=45°,所以OH=PO=1,AH=CH=eq \r(AO2-OH2)=eq \r(2),所以AC=2eq \r(2),故C选项正确;对于D,PH=eq \r(2)OH=eq \r(2),S△PAC=eq \f(1,2)×AC×PH=2,故D选项错误.综上,选AC.
【答案】 AC
[针对训练]
3.已知正三棱锥 PABC的侧面与底面所成的二面角为60°,且正三棱锥的体积为eq \f(\r(3),24),则其侧面积为________.
eq \f(\r(3),2)
解析:如图所示,
设AB的中点为M,连接CM,PM,由正三棱锥的性质可知PM⊥AB,CM⊥AB,所以∠PMC=60°.
设点P在平面ABC上的射影为H,
则H是CM靠近M的三等分点,
设AB=a,则MH=eq \f(\r(3),6)a,,在直角三角形PMH中,PH=eq \f(1,2)a,
故三棱锥PABC的体积为eq \f(1,3)×eq \f(\r(3),4)a2×eq \f(1,2)a=eq \f(\r(3),24)a3=eq \f(\r(3),24),
解得a=1,则PM=eq \f(\r(3),3),
故S△PAB=eq \f(1,2)×1×eq \f(\r(3),3)=eq \f(\r(3),6),
所以三棱锥的侧面积为3S△PAB=3×eq \f(\r(3),6)=eq \f(\r(3),2).
$