江苏专用高考数学一轮复习第八章立体几何第41课直线平面垂直的判定及其性质教师用书.docx

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第41课直线、平面垂直的判定及其性质

[最新考纲]

内容

要求

A

B

C

直线与平面垂直的判定及性质

两平面垂直的判定及性质

1.直线与平面垂直

图形

条件

结论

a⊥b,b⊂α(b为α内的任意一条直线)

a⊥α

a⊥m,a⊥n,m,n⊂α,m∩n=O

a⊥α

a∥b,a⊥α

b⊥α

a⊥α,b⊂α

a⊥b

a⊥α,b⊥α

a∥b

2.平面与平面垂直

(1)平面与平面垂直的定义

两个平面相交,如果它们所成的二面角是直角,就说这两个平面互相垂直.

(2)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

如果一个平面经过另一个平面的一条垂线,那么这两个平面互相垂直

⇒α⊥β

性质

定理

如果两个平面互相垂直,那么在一个平面内垂直于它们交线的直线垂直于另一个平面

⇒l⊥α

1.(思考辨析)判断下列结论的正误.(正确的打“√”,错误的打“×”)

(1)直线l与平面α内的无数条直线都垂直,则l⊥α.(  )

(2)垂直于同一个平面的两平面平行.(  )

(3)若两条直线与一个平面所成的角相等,则这两条直线平行.(  )

(4)若两个平面垂直,则其中一个平面内的任意一条直线垂直于另一个平面.(  )

[答案] 

(1)× 

(2)× (3)× (4)×

2.(2017·南京模拟)设l,m是两条不同的直线,α是一个平面,有下列四个命题:

(1)若l⊥α,m⊂α,则l⊥m;

(2)若l⊥α,l∥m,则m⊥α;

(3)若l∥α,m⊂α,则l∥m;

(4)若l∥α,m∥α,则l∥m,

则其中正确的命题是____________.(填序号)

(1)

(2) [∵l⊥α,m⊂a,∴l⊥m,故

(1)正确;

若l⊥α,l∥m,由线面垂直的第二判定定理,我们可得m⊥α,故

(2)正确;

若l∥α,m⊂α,则l与m可能平行也可能垂直,故(3)错误;

若l∥α,m∥α,则l与m可能平行也可能垂直也可能异面,故(4)错误.]

3.如图411,已知PA⊥平面ABC,BC⊥AC,则图中直角三角形的个数为________.

图411

4 [∵PA⊥平面ABC,

∴PA⊥AB,PA⊥AC,PA⊥BC,

则△PAB,△PAC为直角三角形.

由BC⊥AC,且AC∩PA=A,

∴BC⊥平面PAC,从而BC⊥PC.

∴△ABC,△PBC也是直角三角形.]

4.(教材改编)在三棱锥PABC中,点P在平面ABC中的射影为点O,

(1)若PA=PB=PC,则点O是△ABC的____________心.

(2)若PA⊥PB,PB⊥PC,PC⊥PA,则点O是△ABC的____________心.

(1)外心 

(2)垂心 [∵PO⊥平面ABC,且PA=PB=PC,

∴OA=OB=OC,∴O是△ABC的外心.

(2)∵PA⊥PB,PA⊥PC,PB∩PC=P,∴PA⊥平面PBC,

∴PA⊥BC,

又PO⊥BC

∴BC⊥平面PAO

∴AO⊥BC,

同理BO⊥AC,CO⊥AB,

∴O是△ABC的垂心.]

5.边长为a的正方形ABCD沿对角线BD折成直二面角,则折叠后AC的长为________.

a [如图所示,取BD的中点O,连结A′O,CO,则∠A′OC是二面角A′BDC的平面角.

即∠A′OC=90°,又A′O=CO=

a,

∴A′C=

=a,即折叠后AC的长(A′C)为a.]

线面垂直的判定与性质

 如图412所示,已知AB为圆O的直径,点D为线段AB上一点,且AD=

DB,点C为圆O上一点,且BC=

AC,PD⊥平面ABC,PD=DB.

图412

求证:

PA⊥CD.【导学号:

62172224】

[证明] 因为AB为圆O的直径,所以AC⊥CB,在Rt△ABC中,由

AC=BC,得∠ABC=30°.

设AD=1,由3AD=DB,得DB=3,BC=2

,由余弦定理得CD2=DB2+BC2-2DB·BCcos30°=3,

所以CD2+DB2=BC2,即CD⊥AO.

因为PD⊥平面ABC,CD⊂平面ABC,

所以PD⊥CD,由PD∩AO=D,得CD⊥平面PAB,又PA⊂平面PAB,所以PA⊥CD.

[规律方法] 1.证明直线和平面垂直的常用方法有:

(1)判定定理;

(2)垂直于平面的传递性(a∥b,a⊥α⇒b⊥α);

(3)面面平行的性质(a⊥α,α∥β⇒a⊥β);

(4)面面垂直的性质.

2.证明线面垂直的核心是证线线垂直,而证明线线垂直则需借助线面垂直的性质.因此,判定定理与性质定理的合理转化是证明线面垂直的基本思想.

[变式训练1] 如图413,在三棱锥ABCD中,AB⊥平面BCD,CD⊥BD.

图413

(1)求证:

CD⊥平面ABD;

(2)若AB=BD=CD=1,M为AD中点,求三棱锥AMBC的体积.

[解] 

(1)证明:

因为AB⊥平面BCD,CD⊂平面BCD,

所以AB⊥CD.

又因为CD⊥BD,AB∩BD=B,

AB⊂平面ABD,BD⊂平面ABD,

所以CD⊥平面ABD.

(2)由AB⊥平面BCD,得AB⊥BD.

又AB=BD=1,所以S△ABD=

×12=

.

因为M是AD的中点,所以S△ABM=

S△ABD=

.

根据

(1)知,CD⊥平面ABD,

则三棱锥CABM的高h=CD=1,

故三棱锥VAMBC=VCABM=

S△ABM·h=

.

面面垂直的判定与性质

 如图414,三棱台DEFABC中,AB=2DE,G,H分别为AC,BC的中点.

图414

(1)求证:

BD∥平面FGH;

(2)若CF⊥BC,AB⊥BC,求证:

平面BCD⊥平面EGH.

[证明] 

(1)如图所示,连结DG,CD,设CD∩GF=M,

连结MH.

在三棱台DEFABC中,

AB=2DE,G为AC的中点,

可得DF∥GC,DF=GC,

所以四边形DFCG为平行四边形.

则M为CD的中点,

又H为BC的中点,

所以HM∥BD,

由于HM⊂平面FGH,BD⊄平面FGH,

故BD∥平面FGH.

(2)连结HE.

因为G,H分别为AC,BC的中点,

所以GH∥AB.

由AB⊥BC,得GH⊥BC.

又H为BC的中点,

所以EF∥HC,EF=HC,

因此四边形EFCH是平行四边形,

所以CF∥HE.

由于CF⊥BC,所以HE⊥BC.

又HE,GH⊂平面EGH,HE∩GH=H.

所以BC⊥平面EGH.

又BC⊂平面BCD,

所以平面BCD⊥平面EGH.

[规律方法] 1.面面垂直的证明的两种思路:

(1)用面面垂直的判定定理,即先证明其中一个平面经过另一个平面的一条垂线;

(2)用面面垂直的定义,即证明两个平面所成的二面角是直二面角,把证明面面垂直的问题转化为证明平面角为直角的问题.

2.垂直问题的转化关系:

线线垂直

线面垂直

面面判定性质垂直

[变式训练2] 如图415,在三棱锥PABC中,平面PAB⊥平面ABC,PA⊥PB,M,N分别为AB,PA的中点.

图415

(1)求证:

PB∥平面MNC;

(2)若AC=BC,求证:

PA⊥平面MNC.【导学号:

62172225】

[证明] 

(1)因为M,N分别为AB,PA的中点,所以MN∥PB,

又因为MN⊂平面MNC,PB⊄平面MNC,

所以PB∥平面MNC.

(2)因为PA⊥PB,MN∥PB,所以PA⊥MN.

因为AC=BC,AM=BM,所以CM⊥AB.

因为平面PAB⊥平面ABC,

CM⊂平面ABC,平面PAB∩平面ABC=AB.

所以CM⊥平面PAB.

因为PA⊂平面PAB,所以CM⊥PA.

又MN∩CM=M,所以PA⊥平面MNC.

平行与垂直的综合问题

角度1 多面体中平行与垂直关系的证明

 (2016·江苏高考)如图416,在直三棱柱ABCA1B1C1中,D,E分别为AB,BC的中点,点F在侧棱B1B上,且B1D⊥A1F,A1C1⊥A1B1.

图416

求证:

(1)直线DE∥平面A1C1F;

(2)平面B1DE⊥平面A1C1F.

[证明] 

(1)在直三棱柱ABCA1B1C1中,A1C1∥AC.

在△ABC中,因为D,E分别为AB,BC的中点,

所以DE∥AC,于是DE∥A1C1.

又因为DE⊄平面A1C1F,A1C1⊂平面A1C1F,

所以直线DE∥平面A1C1F.

(2)在直三棱柱ABCA1B1C1中,A1A⊥平面A1B1C1.

因为A1C1⊂平面A1B1C1,所以A1A⊥A1C1.

又因为A1C1⊥A1B1,A1A⊂平面ABB1A1,A1B1⊂平面ABB1A1,A1A∩A1B1=A1,所以A1C1⊥平面ABB1A1.

因为B1D⊂平面ABB1A1,所以A1C1⊥B1D.

又因为B1D⊥A1F,A1C1⊂平面A1C1F,A1F⊂平面A1C1F,A1C1∩A1F=A1,所以B1D⊥平面A1C1F.

因为直线B1D⊂平面B1DE,所以平面B1DE⊥平面A1C1F.

[规律方法] 1.三种垂直的综合问题,一般通过作辅助线进行线线、线面、面面垂直间的转化.

2.垂直与平行结合问题,求解时应注意平行、垂直的性质及判定的综合应用.

角度2 平行垂直中探索开放问题

 如图①所示,在Rt△ABC中,∠C=90°,D,E分别为AC,AB的中点,点F为线段CD上的一点,将△ADE沿DE折起到△A1DE的位置,使A1F⊥CD,如图②所示.

①        ②

图417

(1)求证:

A1F⊥BE;

(2)线段A1B上是否存在点Q,使A1C⊥平面DEQ?

并说明理由.

[证明] 

(1)由已知,得AC⊥BC,且DE∥BC.

所以DE⊥AC,则DE⊥DC,DE⊥DA1,

因为DC∩DA1=D,

所以DE⊥平面A1DC.

由于A1F⊂平面A1DC,所以DE⊥A1F.

又因为A1F⊥CD,CD∩DE=D,

所以A1F⊥平面BCDE,

又BE⊂平面BCDE,

所以A1F⊥BE.

(2)线段A1B上存在点Q,使A1C⊥平面DEQ.

理由如下:

如图,分别取A1C,A1B的中点P,Q,连结PQ,则PQ∥BC.

又因为DE∥BC,则DE∥PQ.

所以平面DEQ即为平面DEQP.

(1)知,DE⊥平面A1DC,

所以DE⊥A1C.

又因为P是等腰三角形DA1C底边A1C的中点,

所以A1C⊥DP.

又DP∩DE=D,

所以A1C⊥平面DEQP.从而A1C⊥平面DEQ.

故线段A1B上存在点Q,使得A1C⊥平面DEQ.

[规律方法] 1.对命题条件探索性的主要途径:

(1)先猜后证,即先观察与尝试给出条件再证明;

(2)先通过命题成立的必要条件探索出命题成立的条件,再证明充分性.

2.平行(垂直)中点的位置探索性问题:

一般是先根据条件猜测点的位置再给出证明,探索点存在问题,点多为中点或三等分点中某一个,也可以根据相似知识建点.

[思想与方法]

1.证明线面垂直的方法:

(1)线面垂直的定义:

a与α内任一直线都垂直⇒a⊥α;

(2)判定定理1:

⇒l⊥α;

(3)判定定理2:

a∥b,a⊥α⇒b⊥α;

(4)面面垂直的性质:

α⊥β,α∩β=l,a⊂α,a⊥l⇒a⊥β.

2.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.

3.转化思想:

垂直关系的转化

线线垂直

面面判定性质垂直

[易错与防范]

1.在解决直线与平面垂直的问题过程中,要注意直线与平面垂直的定义、判定定理和性质定理的联合交替使用,即注意线线垂直和线面垂直的互相转化.

2.面面垂直的性质定理是作辅助线的一个重要依据.我们要作一个平面的一条垂线,通常是先找这个平面的一个垂面,在这个垂面中,作交线的垂线即可.

课时分层训练(四十一)

A组 基础达标

(建议用时:

30分钟)

一、填空题

1.已知m和n是两条不同的直线,α和β是两个不重合的平面,下面给出的条件中一定能推出m⊥β的是____________.(填序号)【导学号:

62172226】

①α⊥β且m⊂α;

②α⊥β且m∥α;

③m∥n且n⊥β;

④m⊥n且α∥β.

③ [由线线平行性质的传递性和线面垂直的判定定理,可知③正确.]

2.(2017·徐州模拟)设l是直线,α,β是两个不同的平面,则下列说法正确的是____________.(填序号)

①若l∥α,l∥β,则α∥β;

②若l∥α,l⊥β,则α⊥β;

③若α⊥β,l⊥α,则l∥β;

④若α⊥β,l∥α,则l⊥β.

② [①中,α∥β或α与β相交,不正确.②中,过直线l作平面γ,设α∩γ=l′,则l′∥l,

由l⊥β,知l′⊥β,从而α⊥β,②正确.

③中,l∥β或l⊂β,③不正确.

④中,l与β的位置关系不确定.]

3.如图418,在正四面体PABC中,D,E,F分别是AB,BC,CA的中点,下面四个结论不成立的是____________.(填序号)

图418

①BC∥平面PDF;

②DF⊥平面PAE;

③平面PDF⊥平面PAE;

④平面PDE⊥平面ABC.

④ [因为BC∥DF,DF⊂平面PDF,

BC⊄平面PDF,

所以BC∥平面PDF,故①正确.

在正四面体中,AE⊥BC,PE⊥BC,DF∥BC,

所以BC⊥平面PAE,则DF⊥平面PAE,从而平面PDF⊥平面PAE.因此②③均正确.]

4.设m,n是两条不同的直线,α,β是两个不同的平面,则下列说法正确的是____________.(填序号)

①若m⊥n,n∥α,则m⊥α;

②若m∥β,β⊥α,则m⊥α;

③若m⊥β,n⊥β,n⊥α,则m⊥α;

④若m⊥n,n⊥β,β⊥α,则m⊥α.

③ [①中,由m⊥n,n∥α可得m∥α或m与α相交或m⊥α,错误;

②中,由m∥β,β⊥α可得m∥α或m与α相交或m⊂α,错误;

③中,由m⊥β,n⊥β可得m∥n,又n⊥α,所以m⊥α,正确;

④中,由m⊥n,n⊥β,β⊥α可得m∥α或m与α相交或m⊂α,错误.]

5.如图419,在三棱锥DABC中,若AB=CB,AD=CD,E是AC的中点,则下列命题中正确的是________.(填序号)

图419

①平面ABC⊥平面ABD;

②平面ABD⊥平面BCD;

③平面ABC⊥平面BDE,且平面ACD⊥平面BDE;

④平面ABC⊥平面ACD,且平面ACD⊥平面BDE.

③ [因为AB=CB,且E是AC的中点,所以BE⊥AC,同理有DE⊥AC,于是AC⊥平面BDE.因为AC⊂平面ABC,所以平面ABC⊥平面BDE.又AC⊂平面ACD,所以平面ACD⊥平面BDE.]

6.如图4110所示,在四棱锥PABCD中,PA⊥底面ABCD,且底面各边都相等,M是PC上的一动点,当点M满足________时,平面MBD⊥平面PCD.(只要填写一个你认为是正确的条件即可)【导学号:

62172227】

图4110

DM⊥PC(或BM⊥PC等) [由定理可知,BD⊥PC.

∴当DM⊥PC(或BM⊥PC)时,有PC⊥平面MBD.

又PC⊂平面PCD,∴平面MBD⊥平面PCD.]

7.(2016·全国卷Ⅱ)α,β是两个平面,m,n是两条直线,有下列四个命题:

①如果m⊥n,m⊥α,n∥β,那么α⊥β;

②如果m⊥α,n∥α,那么m⊥n;

③如果α∥β,m⊂α,那么m∥β;

④如果m∥n,α∥β,那么m与α所成的角和n与β所成的角相等.

其中正确的命题有________.(填写所有正确命题的编号)

②③④ [对于①,α,β可以平行,也可以相交但不垂直,故错误.

对于②,由线面平行的性质定理知存在直线l⊂α,n∥l,又m⊥α,所以m⊥l,所以m⊥n,故正确.

对于③,因为α∥β,所以α,β没有公共点.又m⊂α,所以m,β没有公共点,由线面平行的定义可知m∥β,故正确.

对于④,因为m∥n,所以m与α所成的角和n与α所成的角相等.因为α∥β,所以n与α所成的角和n与β所成的角相等,所以m与α所成的角和n与β所成的角相等,故正确.]

8.如图4111,在三棱柱ABCA1B1C1中,各棱长都相等,侧棱垂直于底面,点D是侧面BB1C1C的中心,则AD与平面BB1C1C所成角的大小是________.

图4111

 [取BC的中点E,连接AE,DE,则AE⊥平面BB1C1C.

所以∠ADE为直线AD与平面BB1C1C所成的角.

设三棱柱的所有棱长为a,

在Rt△AED中,

AE=

a,DE=

.

所以tan∠ADE=

,则∠ADE=

.

故AD与平面BB1C1C所成的角为

.]

9.如图4112,直三棱柱ABC-A1B1C1中,侧棱长为2,AC=BC=1,∠ACB=90°,D是A1B1的中点,F是BB1上的动点,AB1,DF交于点E.要使AB1⊥平面C1DF,则线段B1F的长为____________.

图4112

 [设B1F=x,

因为AB1⊥平面C1DF,DF⊂平面C1DF,

所以AB1⊥DF.

由已知可得A1B1=

设Rt△AA1B1斜边AB1上的高为h,

则DE=

h.

由面积相等得2×

=h

所以h=

,DE=

.

在Rt△DB1E中,

B1E=

.

由面积相等得

×

x,

得x=

.]

10.(2017·南京模拟)如图4113,PA⊥圆O所在的平面,AB是圆O的直径,C是圆O上的一点,E,F分别是点A在PB,PC上的射影,给出下列结论:

①AF⊥PB;②EF⊥PB;③AF⊥BC;④AE⊥平面PBC.

图4113

其中正确结论的序号是____________.【导学号:

62172228】

①②③ [由题意知PA⊥平面ABC,

∴PA⊥BC.

又AC⊥BC,且PA∩AC=A,

∴BC⊥平面PAC,∴BC⊥AF.

∵AF⊥PC,且BC∩PC=C,

∴AF⊥平面PBC,

∴AF⊥PB,又AE⊥PB,AE∩AF=A,

∴PB⊥平面AEF,∴PB⊥EF,

故①②③正确.]

11.(2017·盐城模拟)如图4114,在直三棱柱ABC-A1B1C1中,已知AC⊥BC,BC=CC1.

设AB1的中点为D,B1C∩BC1=E,求证:

(1)DE∥平面AA1C1C;

(2)BC1⊥AB1.

图4114

[证明] 

(1)由题意知,E为B1C的中点,

又D为AB1的中点,因此DE∥AC.

因为DE⊄平面AA1C1C,AC⊂平面AA1C1C,

所以DE∥平面AA1C1C.

(2)因为棱柱ABC-A1B1C1是直三棱柱,所以CC1⊥平面ABC.

因为AC⊂平面ABC,所以AC⊥CC1.

因为AC⊥BC,CC1⊂平面BCC1B1,BC⊂平面BCC1B1,BC∩CC1=C,所以AC⊥平面BCC1B1.

因为BC1⊂平面BCC1B1,所以BC1⊥AC.

因为BC=CC1,所以矩形BCC1B1是正方形,因此BC1⊥B1C.

因为AC,B1C⊂平面B1AC,AC∩B1C=C,

所以BC1⊥平面B1AC.

因为AB1⊂平面B1AC,所以BC1⊥AB1.

12.(2016·苏州期末)如图4115,在直四棱柱ABCDA1B1C1D1中,E,F分别是AB,BC的中点,A1C1与B1D1交于点O.

(1)求证:

A1,C1,F,E四点共面;

(2)若底面ABCD是菱形,且OD⊥A1E,求证:

OD⊥平面A1C1FE.

【导学号:

62172229】

图4115

[证明] 

(1)连结AC,因为E,F分别是AB,BC的中点,所以EF是△ABC的中位线,

所以EF∥AC.

由直棱柱知AA1綊CC1,所以四边形AA1C1C为平行四边形,所以AC∥A1C1.

所以EF∥A1C1,

故A1,C1,F,E四点共面.

(2)连结BD,因为直棱柱中DD1⊥平面A1B1C1D1,A1C1⊂平面A1B1C1D1,

所以DD1⊥A1C1.

因为底面A1B1C1D1是棱形,所以A1C1⊥B1D1.

又DD1∩B1D1=D1,所以A1C1⊥平面BB1D1D.

因为OD⊂平面BB1D1D,所以OD⊥A1C1.

又OD⊥A1E,A1C1∩A1E=A1,A1C1⊂平面A1C1FE,A1E⊂平面A1C1FE,

所以OD⊥平面A1C1FE.

B组 能力提升

(建议用时:

15分钟)

1.如图4116,在正方形ABCD中,E,F分别是BC,CD的中点,沿AE,AF,EF把正方形折成一个四面体,使B,C,D三点重合,重合后的点记为P,P点在△AEF内的射影为O,则下列说法正确的是____________.(填序号)

图4116

①O是△AEF的垂心;   ③O是△AEF的内心;

③O是△AEF的外心;④O是△AEF的重心.

① [由题意可知PA,PE,PF两两垂直,

所以PA⊥平面PEF,从而PA⊥EF,

而PO⊥平面AEF,则PO⊥EF,因为PO∩PA=P,

所以EF⊥平面PAO,

所以EF⊥AO,同理可知AE⊥FO,AF⊥EO,

所以O为△AEF的垂心.]

2.如图4117,在三棱柱ABCA1B1C1中,侧棱AA1⊥底面ABC,底面是以∠ABC为直角的等腰直角三角形,AC=2a,BB1=3a,D是A1C1的中点,点F在线段AA1上,当AF=________时,CF⊥平面B1DF.

图4117

a或2a [∵B1D⊥平面A1ACC1,∴CF⊥B1D.

为了使CF⊥平面B1DF,只要使CF⊥DF(或CF⊥B1F).

设AF=x,则CD2=DF2+FC2,

∴x2-3ax+2a2=0,∴x=a或x=2a.]

3.(2016·四川高考)如图4118,在四棱锥PABCD中,PA⊥CD,AD∥BC,∠ADC=∠PAB=90°,BC=CD=

AD.

图4118

(1)在平面PAD内找一点M,使得直线CM∥平面PAB,并说明理由;

(2)证明:

平面PAB⊥平面PBD.

[解] 

(1)取棱AD的中点M(M∈平面PAD),点M即为所求的一个点.

理由如下:

连结CM,

因为AD∥BC,BC=

AD,

所以BC∥AM,且BC=AM.

所以四边形AMCB是平行四边形,

所以CM∥AB.

又AB⊂平面PAB,CM⊄平面PAB,

所以CM∥平面PAB.

(说明:

取棱PD的中点N,则所找的点可以是直线MN上任意一点)

(2)证明:

由已知,PA⊥AB,PA⊥CD,

因为AD∥BC,BC=

AD,所以直线AB与CD相交,

所以PA⊥平面ABCD,所以PA⊥BD.

因为AD∥BC,BC=

AD,M为AD的中点,连结BM,

所以BC∥MD,且BC=MD,

所以四边形BCDM是平行四边形,

所以BM=CD=

AD,所以BD⊥AB.

又AB∩AP=A,所以BD⊥平面PAB.

又BD⊂平面PBD,所以平面PAB⊥平面PBD.

4.⊙O的直径AB=4,点C,D为⊙O上两点,且∠CAB=45°,F为

的中点.沿直径AB折起,使两个半圆所在平面互相垂直(如图①).

①     ②

图411

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