3.4.2 第2课时 空间中直线、平面的垂直(Word学生用书)-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中数学选择性必修第一册(北师大版)

2026-09-14
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摘要:

该高中数学导学案聚焦空间中直线、平面的垂直关系,通过旗杆与地面垂直的实例导入,引导学生用向量语言表述线线、线面、面面垂直关系,衔接空间向量基础,构建从具体到抽象的学习支架。 资料涵盖向量证明垂直、三垂线定理应用及探索性问题等题型,提供一题多解与通性通法指导,助力学生掌握逻辑推理方法,培养数学抽象与直观想象素养,习题分层设计兼顾基础与提升,适合自主学习与课堂教学使用。

内容正文:

第二课时 空间中直线、平面的垂直 课标 要求 1.能用向量语言表述直线与直线、直线与平面、平面与平面的垂直关系(数学抽象、直观想象). 2.能用向量方法判断或证明直线、平面间的垂直关系(逻辑推理、直观想象).      观察图片,都知道图中旗杆所在直线和地面垂直. 【问题】 如何用向量来表示二者的关系呢?                                                                               知识点一 空间垂直关系的向量表示 设向量l,m分别是直线l,m的方向向量,n1,n2分别是平面α,β的法向量,则 (1)l⊥m⇔    ; (2)l⊥α⇔    ; (3)α⊥β⇔    . 知识点二 三垂线定理及其逆定理 1.三垂线定理 若平面内的一条直线与平面的一条斜线在这个平面内的投影垂直,则它也和这条斜线垂直. 2.三垂线定理的逆定理 若平面内的一条直线和这个平面的一条斜线垂直,则它也和这条斜线在这个平面内的投影垂直. 【想一想】 若直线l的方向向量与平面α内两条相交直线的方向向量都垂直,那么l与α垂直吗? 1.〔多选〕下列命题中,正确的命题为(  ) A.若n1,n2分别是平面α,β的法向量,则n1∥n2⇔α∥β B.若n1,n2分别是平面α,β的法向量,则α⊥β⇔n1·n2=0 C.若n是平面α的法向量,a是直线l的方向向量,若l与平面α垂直,则n∥a D.若两个平面的法向量不垂直,则这两个平面不垂直 2.若直线l的方向向量a=(1,0,2),平面α的法向量为n=(-2,0,-4),则(  ) A.l∥α B.l⊥α C.l⊂α D.l与α斜交 3.已知两不重合直线l1和l2的方向向量分别为a=(3λ+1,0,2λ),b=(1,λ-1,λ),若l1⊥l2,则λ的值为    . 4.平面α与平面β垂直,平面α与平面β的法向量分别为 u=(-1,0,5),v=(t,5,1),则t的值为    .    题型一 利用空间向量证明垂直问题 〔一题多解〕如图,在四棱锥P-ABCD中,PA⊥底面ABCD,垂足为A,AB⊥AD,AC⊥CD,∠ABC=60°,PA=AB=BC,E是PC的中点. (1)求证:AE⊥CD; (2)求证:PD⊥平面ABE. 尝试解答 通性通法 用空间向量证明垂直的方法 (1)线线垂直:证明两直线的方向向量互相垂直,即证明它们的数量积为零; (2)线面垂直:证明直线的方向向量与平面的法向量共线,或将线面垂直的判定定理用向量表示; (3)面面垂直:证明两个平面的法向量垂直,或将面面垂直的判定定理用向量表示. 如图,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,BC=CC1=1,E是CD的中点,F是BC的中点.求证:平面EAD1⊥平面EFD1. 题型二 三垂线定理及逆定理的应用 如图,已知在正方体ABCD-A1B1C1D1中,连接BD1,AC,CB1,B1A,求证:BD1⊥平面AB1C. 尝试解答 通性通法 利用三垂线定理证明垂直的步骤 (1)找平面(基准面)及平面的垂线; (2)找射影线(平面上的直线与斜线); (3)证明射影线与直线垂直,从而得线线垂直,更进一步证明线面垂直或面面垂直.  在四面体PABC中,PA⊥BC,PB⊥AC,求证:PC⊥AB. 题型三 利用空间向量解决位置关系中的探索性问题 如图,正方体ABCD-A1B1C1D1的棱长为1.在BC,DD1上是否分别存在点E,F,使B1E⊥平面ABF,若存在,请证明你的结论,并求出点E,F满足的条件;若不存在,请说明理由. 尝试解答 通性通法 解决立体几何中探索性问题的基本方法 (1)通常假设题中的数学对象存在(或结论成立),然后在这个前提下进行逻辑推理; (2)探索性问题的关键是设点:①空间中的点可设为(x,y,z);②坐标平面内的点其中一个坐标为0,如Oxy面上的点为(x,y,0);③坐标轴上的点两个坐标为0,如z轴上的点为(0,0,z);④直线(线段)AB上的点P,可设为=λ,表示出点P的坐标,或直接利用向量运算. 如图,在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD为矩形,平面PCD⊥平面ABCD,AB=2,BC=1,PC=PD=,在棱PD上是否存在点M,使得AM⊥BD?若存在,求的值;若不存在,说明理由. 1.若平面α,β的法向量分别为a=(2,-1,0),b=(-1,-2,0),则α与β的位置关系是(  ) A.平行 B.垂直 C.相交但不垂直 D.无法确定 2.如图,在空间直角坐标系中,正方体棱长为2,点E是棱AB的中点,点F(0,y,z)是正方体的面AA1D1D上一点,且CF⊥B1E,则点F(0,y,z)满足方程(  ) A.y-z=0 B.2y-z-1=0 C.2y-z-2=0 D.z-1=0 3.〔多选〕下列命题是真命题的有(  ) A.直线l的方向向量为a=(1,-1,2),直线m的方向向量为b=,则l与m垂直 B.直线l的方向向量为a=(0,1,-1),平面α的法向量为n=(1,-1,-1),则l⊥α C.平面α,β的法向量分别为n1=(0,1,3),n2=(1,0,2),则α∥β D.平面α经过三点A(1,0,-1),B(0,1,0),C(-1,2,0),向量n=(1,u,t)是平面α的法向量,则u+t=1 4.如图所示,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,O是底面正方形ABCD的中心,M是棱D1D上一点,N是A1B1的中点,则当=    时,ON⊥AM. 完成课后作业 第三章 §4 4.2 第二课时 答案 第二课时 空间中直线、平面的垂直 【基础落实】 新知初探 知识点一 (1)l⊥m (2)l∥n1 (3)n1⊥n2 想一想 提示:垂直. 自我诊断 1.BCD A中平面α,β可能平行,也可能重合,结合平面法向量的概念,可知B、C、D正确. 2.B ∵n=-2a,∴a∥n,即l⊥α. 3.-1或- 解析:由题意知,a⊥b,∴3λ+1+2λ2=0,∴λ=-1或-. 4.5 解析:∵平面α与平面β垂直,∴平面α的法向量u与平面β的法向量v垂直,∴u·v=0,即-1×t+0×5+5×1=0,解得t=5. 【典例研析】 【例1】 证明:(1)如图,以A为坐标原点,AB,AD,AP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系, 设PA=AB=BC=1,则A(0,0,0),B(1,0,0),P(0,0,1). 因为∠ABC=60°,AB=BC,所以△ABC为正三角形. 所以C(,,0),E(,,), =(,,0), 设D(0,y1,0),则=(-,y1-,0), 由AC⊥CD得·=0, 即-+(y1-)=0,解得y1=, 则D(0,,0), 所以=(-,,0). 又=(,,), 所以·=-×+×+0×=0, 所以⊥,即AE⊥CD. (2)法一 由(1)知=(1,0,0), =(,,), 设平面ABE的法向量为n=(x,y,z), 则即 令y=2,则n=(0,2,-). 又=(0,,-1),显然=n, 所以∥n, 所以⊥平面ABE,即PD⊥平面ABE. 法二 由(1)知=(,,),=(1,0,0), =(0,,-1). 所以·=0,·=0, 所以PD⊥AE,PD⊥AB. 又AB∩AE=A,AB,AE⊂平面ABE,所以PD⊥平面ABE. 跟踪训练 证明:如图,建立空间直角坐标系,则E(0,1,0),A(1,0,0),D1(0,0,1), F(,2,0),=(-1,1,0),=(0,-1,1),=(,1,0),设平面EAD1的法向量为n=(x,y,z), 则即令x=1,则y=z=1,所以n=(1,1,1) 设平面EFD1的法向量为m=(x',y',z'), 则 即令x'=2,则y'=z'=-1, 所以m=(2,-1,-1). 因为n·m=1×2+1×(-1)+1×(-1)=0,所以n⊥m, 所以平面EAD1⊥平面EFD1. 【例2】 证明:连接BD,A1B,∵四边形ABCD是正方形, ∴AC⊥BD. 又DD1⊥平面ABCD, ∴BD是斜线BD1在平面ABCD上的射影, ∴BD1⊥AC,同理A1B是BD1在平面ABB1A1内的射影, ∴BD1⊥AB1,又AB1∩AC=A,∴BD1⊥平面AB1C. 跟踪训练 证明:过P作PH⊥平面ABC,垂足为H,连接AH并延长交BC于E, 连接BH并延长交AC于F, PH⊥平面ABC,PA⊥BC, 而PA在平面ABC内的射影为AH,由三垂线定理的逆定理知BC⊥AH, 同理可证BF⊥AC.则H为△ABC的垂心,连接CH并延长交AB于G, 于是CG⊥AB,而CH是PC在平面ABC的射影,故PC⊥AB. 【例3】 解:如图,建立空间直角坐标系D1-xyz, 则A(1,0,1),B1(1,1,0),B(1,1,1),设F(0,0,h),E(m,1,1),则=(0,1,0),=(m-1,0,1),=(1,0,1-h),若B1E⊥平面ABF,则·=0,∴h=m,即E,F满足D1F=CE时,B1E⊥平面ABF.即存在点E,F,使B1E⊥平面ABF. 跟踪训练 解:连接AC,交BD于点F,因为底面ABCD为矩形,所以F为BD的中点, 假设在棱PD上存在点M,使得AM⊥BD. 取CD的中点为O,连接PO,FO, 因为底面ABCD为矩形,故BC⊥CD, 而F为BD的中点,故OF∥BC,所以OF⊥DC. 因为PC=PD=,故PO⊥CD,又平面PCD⊥平面ABCD,PO⊂平面PCD,平面PCD∩平面ABCD=CD,故PO⊥平面ABCD, 故以O为坐标原点,OF,OC,OP所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系, 则A(1,-1,0),D(0,-1,0),B(1,1,0),P(0,0,1), 设=λ(λ∈[0,1]),M(x,y,z),则=λ, 即(x,y,z-1)=λ(0,-1,-1),则可得M(0,-λ,1-λ), 故=(-1,1-λ,1-λ),=(-1,-2,0), 因为AM⊥BD,故·=0,即1-2(1-λ)=0,解得λ=,即在棱PD上存在点M,使得AM⊥BD,此时=. 随堂检测 1.B a·b=-2+2+0=0,∴a⊥b,∴α⊥β. 2.D E(1,0,0),B1(2,0,2),C(2,2,0),所以=(-1,0,-2),=(-2,y-2,z),因为CF⊥B1E,所以·=0,即2-2z=0,即z=1. 3.AD ∵a=(1,-1,2),b=,∴a·b=1×2-1×1+2×=0,则a⊥b,∴直线l与m垂直,故A正确;a=(0,1,-1),n=(1,-1,-1),则a·n=0×1+1×(-1)+(-1)×(-1)=0,则a⊥n,∴l∥α或l⊂α,故B错误;∵n1=(0,1,3),n2=(1,0,2),∴n1与n2不共线,∴α∥β不成立,故C错误;∵点A(1,0,-1),B(0,1,0),C(-1,2,0),∴=(-1,1,1),=(-1,1,0).∵向量n=(1,u,t)是平面α的法向量,∴即解得u+t=1,故D正确. 4. 解析:以A为原点,分别以,,所在直线为x,y,z轴,建立空间直角坐标系(图略),设正方体的棱长为1,则A(0,0,0),O(,,0),N(,0,1),设M(0,1,a)(0≤a≤1),则·=(0,1,a)·(0,-,1)=-+a=0,∴a=.∴当=时,ON⊥AM. 4 / 4 学科网(北京)股份有限公司 $

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