2019-2020学年高中数学 第1章 立体几何初步 6 垂直关系 6.1 垂直关系的判定学案 北师

-1-6．1垂直关系的判定学习目标核心素养1.掌握直线与平面垂直、平面与平面垂直的定义．(重点)2．掌握直线与平面垂直、平面与平面垂直的判定定理，并能灵活应用判定定理证明直线与平面垂直、平面与平面垂直．(重点、难点)3．了解二面角、二面角的平面角的概念，会求简单的二面角的大小．(重点、易错点)1.通过应用判定定理证明空间中的垂直关系，提升逻辑推理素养．2．通过求解二面角的大小培养直观想象数学运算素养.1．直线与平面垂直的概念及判定定理(1)定义：如果一条直线和一个平面内的任何一条直线都垂直，那么称这条直线和这个平面垂直．(2)画法：通常把表示直线的线段画成和表示平面的平行四边形的横边垂直，如图所示．(3)直线与平面垂直的判定定理：文字语言如果一条直线和一个平面内的两条相交直线都垂直，那么该直线与此平面垂直图形语言符号语言若直线a平面α，直线b平面α，直线l⊥a，l⊥b，a∩b＝A，则l⊥平面α思考1：若一条直线垂直于一个平面内的两条直线，则此直线与平面什么关系？提示：相交、垂直或在平面内．2．二面角(1)二面角的概念：①半平面：一个平面内的一条直线，把这个平面分成两部分，其中的每一部分都叫作半平面．②二面角：从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫作二面角，这条直线叫作二面-2-角的棱，这两个半平面叫作二面角的面．③二面角的记法：以直线AB为棱、半平面α，β为面的二面角，记作二面角α­AB­β.(2)二面角的平面角：文字语言以二面角的棱上任一点为端点，在两个半平面内分别作垂直于棱的两条射线，这两条射线所成的角叫作二面角的平面角图形语言符号语言若α∩β＝l，OAα，OBβ，且OA⊥l，OB⊥l，则∠AOB为二面角α­l­β的平面角取值范围0°≤θ≤180°直二面角平面角是直角的二面角叫作直二面角思考2：二面角的大小，与角的顶点在棱上的位置有关吗？提示：没关系．3．平面与平面垂直(1)平面与平面垂直：定义两个平面相交，如果所成的二面角是直二面角，就说这两个平面互相垂直画法把表示直立平面的平行四边形的竖边画成和表示水平平面的平行四边形的横边垂直(如图)记法α⊥β(2)平面与平面垂直的判定定理：文字语言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符号语言若直线AB平面β，AB⊥平面α，则β⊥α思考3：若两个平面垂直，则一个平面内的直线与另一个平面有何位置关系？提示：平行、垂直、斜交．1．已知平面α及α外一直线l，给出下列命题：①若l垂直于α内两条直线，则l⊥α；②若l垂直于α内所有直线，则l⊥α；-3-③若l垂直于α内任意一条直线，则l⊥α；④若l垂直于α内两条平行直线，则l⊥α.其中，正确命题的个数是()A．0B．1C．2D．3C[根据直线与平面垂直的定义可知，②③正确，①④不正确．]2．空间四边形ABCD中，若AD⊥BC，BD⊥AD，那么有()A．平面ABC⊥平面ADCB．平面ABC⊥平面ADBC．平面ABC⊥平面DBCD．平面ADC⊥平面DBCD[∵AD⊥BC，AD⊥BD，BC∩BD＝B，∴AD⊥平面BCD.又∵AD平面ADC，∴平面ADC⊥平面DBC.]3．如图所示，∠BCA＝90°，PC⊥平面ABC，则在△ABC，△PAC的边所在的直线中．(1)与PC垂直的直线有________；(2)与AP垂直的直线有________．(1)AB，BC，AC(2)BC[(1)因为PC⊥平面ABC，AB，AC，BC平面ABC，所以与PC垂直的直线有AB，AC，BC.(2)∠BCA＝90°，即BC⊥AC，又BC⊥PC，AC∩PC＝C，所以BC⊥平面PAC，又AP平面PAC，所以BC⊥AP.]4．如图，正方体ABCD­A1B1C1D1中，截面C1D1AB与底面ABCD所成二面角C1­AB­C的大小为________．45°[∵AB⊥BC，AB⊥BC1，∴∠C1BC为二面角C1­AB­C的平面角，其大小为45°.]线面垂直的判定【例1】如图所示，Rt△ABC所在的平面外一点S，SA＝SB＝SC，点D为斜边AC的中点．求证：直线SD⊥平面ABC.-4-[证明]∵SA＝SC，点D为斜边AC的中点，∴SD⊥AC.连接BD，在Rt△ABC中，则AD＝DC＝BD，∴△ADS≌△BDS，∴SD⊥BD.又AC∩BD＝D，∴SD⊥平面ABC.1．在本例中，若AB＝BC，其他条件不变，求BD与平面SAC的位置关系．[解]∵AB＝BC，点D为斜边AC的中点，∴BD⊥AC.又由本例知SD⊥平面ABC，∴SD⊥BD.于是BD垂直于平面SAC内的两条相交直线，故BD⊥平面SAC.2．将本例改为：已知四棱锥P­ABCD的底面是菱形，且PA＝PC，PB＝PD.若O是AC与BD的交点，求证：PO⊥平面ABCD.[证明]在△PBD中，PB＝PD，O为BD的中点，∴PO⊥BD.在△PAC中，PA＝PC，O为AC的中点，∴PO⊥AC，又∵AC∩BD＝O，∴PO⊥平面ABCD.1．直线与平面垂直的判定(或证明)常用的方法是线面垂直的判定定理，要注意定理中的两个关键条件：①平面内的两条相交直线；②都垂直．2．要证明线面垂直，先证线线垂直，而证线线垂直，通常又借助线面垂直，它们是相互转化的．面面垂直的判定-5-【例2】如图所示，在四面体ABCS中，已知∠BSC＝90°，∠BSA＝∠CSA＝60°，又SA＝SB＝SC.求证：平面ABC⊥平面SBC.[证明]法一：因为∠BSA＝∠CSA＝60°，SA＝SB＝SC，所以△ASB和△ASC是等边三角形，则有SA＝SB＝SC＝AB＝AC，设其值为a，则△ABC和△SBC为共底边BC的等腰三角形．取BC的中点D，如图所示，连接AD，SD，则AD⊥BC，SD⊥BC，所以∠ADS为二面角A­BC­S的平面角．在Rt△BSC中，因为SB＝SC＝a，所以SD＝22a，BD＝BC2＝22a，在Rt△ABD中，AD＝22a，在△ADS中，因为SD2＋AD2＝SA2，所以∠ADS＝90°，即二面角A­BC­S为直二面角，故平面ABC⊥平面SBC.法二：因为SA＝SB＝SC，且∠BSA＝∠CSA＝60°，所以SA＝AB＝AC，所以点A在平面SBC上的射影为△SBC的外心．因为△SBC为直角三角形，所以点A在△SBC上的射影D为斜边BC的中点，所以AD⊥平面SBC.又因为AD平面ABC，所以平面ABC⊥平面SBC.证明面面垂直的方法：1定义法：即说明两个半平面所成的二面角是直二面角；2判定定理法：在其中一个平面内寻找一条直线与另一个平面垂直，即把问题转化为“线面垂直”；3性质法：两个平行平面中的一个垂直于第三个平面，则另一个也垂直于此平面.1．如图，四棱锥P­ABCD的底面是正方形，PD⊥底面ABCD，点E在棱PB上．求证：平面AEC⊥平面PDB.-6-[解]∵AC⊥BD，AC⊥PD，PD，BD为平面PDB内两条相交直线，∴AC⊥平面PDB.又∵AC平面AEC，∴平面AEC⊥平面PDB.二面角[探究问题]1．如图所示，在三棱锥S­ABC中，△SBC，△ABC都是等边三角形，请根据二面角的平面角的定义作出二面角S­BC­A的平面角，并说明理由．提示：取BC的中点O，连接SO，AO，因为AB＝AC，O是BC的中点，所以AO⊥BC.同理可证SO⊥BC，所以∠SOA是二面角S­BC­A的平面角．2．在上述问题中，若BC＝1，SA＝32，请计算二面角S­BC­A的大小．提示：在△AOB中，∠AOB＝90°，∠ABO＝60°，AB＝1，所以AO＝1×sin60°＝32.同理可求SO＝32.又SA＝32，所以△SOA是等边三角形，所以∠SOA＝60°，所以二面角S­BC­A的大小为60°.【例3】如图，AB是⊙O的直径，PA垂直于⊙O所在平面，C是圆周上不同于A、B的一点，且AB＝2，PA＝BC＝1.(1)求证：平面PAC⊥平面PBC；(2)求二面角P­BC­A的大小．[解](1)证明：∵A，B，C在⊙O上，∴⊙O所在平面可记为平面ABC，∵PA⊥平面ABC，BC平面ABC，∴PA⊥BC.∵C在圆周上，且异于A、B两点，AB是⊙O的直径，∴BC⊥AC.又AC∩PA＝A，∴BC⊥平面PAC.又BC平面PBC，∴平面PAC⊥平面PBC.(2)由(1)知，BC⊥平面PAC，∵PC平面PAC，-7-∴PC⊥BC，又∵AC⊥BC，∴∠PCA为二面角P­BC­A的平面角．在Rt△PAC中，PA＝1，AC＝3，∠PAC＝90°，∴tan∠PCA＝33，∴∠PCA＝30°，所以二面角P­BC­A的大小是30°.1．本例条件不变，试求二面角C­PA­B的大小．[解]∵PA⊥平面ABC.∴PA⊥AC，PA⊥AB，∴∠CAB即为二面角C­PA­B的平面角，在Rt△ACB中，易知AB＝2，BC＝1，∴AC＝3，∴sin∠BAC＝12，∴∠BAC＝30°，∴二面角C­PA­B的大小为30°.2．本例条件不变，试求二面角A­PB­C的正弦值．[解]过A作AE⊥PB于点E，过E作EF⊥PB交PC于点F，连AF，则∠AEF即为二面角A­PB­C的平面角(图略)．由例题知，BC⊥平面PAC，又AF平面PAC，∴AF⊥BC，又PB⊥AE，PB⊥EF，∴PB⊥平面AEF，∴AF⊥PB，又BC∩PB＝B，∴AF⊥平面PBC.∴△AFE为直角三角形．在Rt△PAC中，PA＝1，AC＝3.∴PC＝2，∴AF＝32，在Rt△PAB中，PA＝1，AB＝2，∴PB＝5，-8-∴AE＝25.∴在Rt△AFE中，sin∠AEF＝AFAE＝3225＝154.1．求二面角大小的关键是先找出或作出平面角，再把平面角放在三角形中，最后利用解三角形得到平面角的大小或三角函数值，其步骤为：作角→证明→计算．2．要在适当位置作出二面角的平面角，就要注意观察二面角两个面的特点，如是否为等腰三角形等．1．直线和平面垂直的判定方法：(1)利用线面垂直的定义．(2)利用线面垂直的判定定理．(3)利用下面两个结论：①若a∥b，a⊥α，则b⊥α；②若α∥β，a⊥α，则a⊥β.2．求二面角大小的步骤简称为“一作二证三求”．3．平面与平面垂直的判定定理的应用思路(1)本质：通过直线与平面垂直来证明平面与平面垂直，即线面垂直⇒面面垂直．(2)证题思路：处理面面垂直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题来解决．1．思考辨析(1)如果一条直线和一个平面内的两条平行直线都垂直，则该直线与此平面垂直．()(2)一条直线和一个平面内的所有直线垂直，则该直线与该平面垂直．()(3)一条直线和一个平面内的无数条直线垂直，则该直线与该平面垂直．()-9-(4)若直线l不垂直于平面α，则α内不存在直线垂直于直线l.()[答案](1)×(2)√(3)×(4)×2．对于直线m，n和平面α，β，能得出α⊥β的一个条件是()A．m⊥n，m∥α，n∥βB．m⊥n，α∩β＝m，nαC．m∥n，n⊥β，mαD．m∥n，m⊥α，n⊥βC[∵n⊥β，m∥n，∴m⊥β，又mα，由面面垂直的判定定理，∴α⊥β.]3．如图所示，在三棱锥P­ABC中，PA⊥平面ABC，∠BAC＝90°，则二面角B­PA­C的大小为________．90°[∵PA⊥平面ABC，BA，CA平面ABC，∴BA⊥PA，CA⊥PA，因此，∠BAC即为二面角B­PA­C的平面角．又∠BAC＝90°，故二面角B­PA­C的大小为90°.]4．如图，在矩形ABCD中，AB＝2，BC＝2，E为BC的中点，把△ABE和△CDE沿AE、DE折起，使点B与点C重合于点P.求证：平面PED⊥平面PAD.[解]由矩形ABCD知折起前AB⊥BE，所以折起后AP⊥PE，同理PD⊥PE，因为PD∩PA＝P，所以PE⊥平面PAD，因为PE平面PED，所以平面PED⊥平面PAD.