线面垂直的证明中的找线技巧
◆
通过计算,运用勾股定理寻求线线垂直
1 如图1,在正方体1111ABCD A B C D -
中,M 为1CC 的中点,AC 交BD 于点O ,求证:1A O ⊥平面M BD.
证明:连结MO ,1A M
,∵DB ⊥
1A A ,DB ⊥AC ,1A A
AC A =,
∴DB ⊥平面
11A ACC ,而1
AO ?平面11A ACC ∴DB ⊥1A O . 设正方体棱长为a ,则22132A O a =,2
234MO a =.
在Rt △11A C M 中,2
21
94
A M a =.∵22211A O MO A M +=,∴1
AO OM ⊥. ∵OM ∩DB =O,∴ 1A O ⊥平面MBD . 评注:在证明垂直关系时,有时可以利用棱长、角度大小等数据,通过计算来证明.
◆
利用面面垂直寻求线面垂直
2 如图2,P 是△ABC 所在平面外的一点,且PA ⊥平面ABC ,平面PAC ⊥平面PBC .求证:BC ⊥平面PAC .
证明:在平面PAC 内作AD ⊥PC交PC 于D.
因为平面PAC ⊥平面PB C,且两平面交于P C,
AD ?平面P AC ,且AD ⊥PC , 由面面垂直的性质,得AD ⊥平面PB C. 又∵
BC ?平面PBC ,∴AD ⊥B C.
∵PA ⊥平面AB C,BC ?平面AB C,∴P A⊥BC .
∵AD ∩PA =A ,∴BC ⊥平面PA C.
(另外还可证BC 分别与相交直线AD ,AC 垂直,从而得到BC ⊥平面PA C).
评注:已知条件是线面垂直和面面垂直,要证明两条直线垂直,应将两条直线中的一
条纳入一个平面中,使另一条直线与该平面垂直,即从线面垂直得到线线垂直.在空间图形中,高一级的垂直关系中蕴含着低一级的垂直关系,通过本题可以看到,面面垂直?线面垂直?线线垂直.
一般来说,线线垂直或面面垂直都可转化为线面垂直来分析解决,其关系为:线线垂直???→←???判定性质
线面垂直???→←???
判定
性质
面面垂直.这三者之间的关系非常密切,可以互相转化,从前面推出后面是判定定理,而从后面推出前面是性质定理.同学们应当
学会灵活应用这些定理证明问题.下面举例说明.
3 如图1所示,ABCD 为正方形,SA ⊥平面AB CD ,过A 且垂直于SC 的平面分别交SB SC SD ,,于E F G ,,.
求证:AE SB ⊥,AG SD ⊥.
证明:∵SA ⊥平面A BC D, ∴SA BC ⊥.∵AB BC ⊥,∴BC
⊥平面SAB .又∵AE ?平面S AB ,∴
BC AE ⊥.∵SC ⊥平面AEFG ,∴SC AE ⊥.∴AE ⊥平面SB C.∴AE SB ⊥.同理可证AG SD ⊥.
评注:本题欲证线线垂直,可转化为证线面垂直,在线线垂直与线面垂直的转化中,平面起到了关键作用,同学们应多注意考虑线和线所在平面的特征,从而顺利实现证明所需要的转化.
4 如图2,在三棱锥A-BCD 中,BC =AC ,AD =BD ,作B E⊥CD ,E 为垂足,作A H⊥BE 于H .求证:A H⊥平面B CD .
证明:取A B的中点F ,连结CF ,DF . ∵AC
BC =,∴CF AB ⊥.
∵AD BD =,∴DF AB ⊥.
又CF DF F =,∴AB ⊥平面CD F. ∵CD ?平面CDF ,∴CD AB ⊥. 又CD BE ⊥,BE AB B =, ∴CD ⊥平面ABE ,CD AH ⊥.
∵AH CD ⊥,AH BE ⊥,CD BE E =,
∴ AH ⊥平面BC D.
评注:本题在运用判定定理证明线面垂直时,将问题转化为证明线线垂直;而证明线线垂直时,又转化为证明线面垂直.如此反复,直到证得结论.
5 如图3,AB 是圆O 的直径,C 是圆周上一点,PA ⊥平面AB C.若AE ⊥PC ,E为垂足,F 是PB 上任意一点, 求证:平面AEF ⊥平面PBC .
证明:∵AB 是圆O的直径,∴AC BC ⊥.
∵PA ⊥平面ABC ,BC
?平面AB C,
∴PA BC ⊥.∴BC ⊥平面AP C. ∵BC ?平面PBC ,
∴平面APC ⊥平面PBC .
∵A E⊥P C,平面APC ∩平面P BC=P C, ∴AE ⊥平面P BC .
∵AE ?平面A EF ,∴平面AEF ⊥平面PB C. 评注:证明两个平面垂直时,一般可先从现有的直线中寻找平面的垂线,即证线面垂直,而证线面垂直则需从已知条件出
发寻找线线垂直的关系.
6. 空间四边形AB CD 中,若AB ⊥CD,B C⊥A D,求证:A C⊥B D
A
D B O C
证明:过A 作AO ⊥平面BCD 于O 。
AB CD CD BO ⊥∴⊥, 同理BC ⊥DO ∴O 为△A BC的垂心
7. 证明:在正方体AB CD -A1B1C 1D 1中,A 1C ⊥平面BC 1D
A
C
证明:连结AC
BD AC ⊥
AC 为A1C 在平面A C上的射影
∴⊥⊥?
???⊥BD A C
A C BC A C BC D
11111同理可证平面
8. 如图,PA ⊥平面ABCD ,AB CD是矩形,M 、N 分别是AB、PC 的中点,求证:MN AB ⊥
C
.
证:取PD 中点E,则
EN DC //
12
C
?EN AM //
∴AE MN //
又平面平面平面 CD AD PA AC CD PAD AE PAD ⊥⊥?
???⊥??
?
?
?⊥?
??
???⊥CD AE CD AB AE MN MN AB ////
9如图在ΔABC 中, AD ⊥BC, ED =2AE, 过E 作FG ∥BC , 且将ΔAFG沿FG 折起,使∠A 'ED=60°,求证:A 'E⊥平面A 'BC
分析:弄清折叠前后,图形中各元素之间的数量关系和位置关系。 解:
∵FG ∥BC,AD ⊥BC ∴A 'E ⊥FG
∴A 'E⊥BC
设A 'E=a ,则ED =2a 由余弦定理得: A 'D 2=A 'E 2+E D2-2?A 'E ?EDc os 60°=3a2
∴ED 2=A 'D 2+A 'E 2
∴A 'D⊥A 'E
∴A 'E ⊥平面A 'BC
10如图, 在空间四边形SABC 中, SA ⊥平面A BC , ∠ABC = 90?, AN ⊥SB 于N , A M⊥SC 于M 。求证: ①AN ⊥B C; ②SC ⊥平面ANM 分析:
①要证AN ⊥B C, 转证, BC ⊥平面SAB 。
②要证SC ⊥平面A NM, 转证, SC 垂直于平面ANM内的两条相交直线, 即证SC ⊥AM , SC ⊥AN 。要证S C⊥AN , 转证AN ⊥平面SBC , 就可以了。 证明:
①∵SA ⊥平面ABC
?? ∴SA ⊥B C ?又∵BC ⊥A B, 且AB SA = A ? ∴B C⊥平面SAB ?∵AN ?平面SAB ??∴AN ⊥BC ②∵AN ⊥BC , AN ⊥SB , 且SB BC = B ∴A N⊥平面SB C ? ∵SC C平面S BC ? ∴AN ⊥SC ? 又∵AM ⊥S C, 且AM AN = A ∴SC ⊥平面A NM
11已知如图,P?平面AB C,PA =PB =PC,∠A PB=∠APC =60°,∠BPC =90 °求证:平面AB C⊥平面PBC
分析:要证明面面垂直,只要在其呈平面内找一条线,然后证明直线与另一平面垂直即可。显然BC 中点D,证明AD 垂直平PB C即可
证明:取BC 中点D 连结AD 、PD ∵PA =PB;∠A PB =60° ∴ΔPAB 为正三角形?
同理ΔPAC 为正三角形 设PA=a 在RT ΔBPC 中,P B=PC=a
B C=
2a
∴PD =
2
2a 在ΔABC 中 A D=
2
2BD AB -
=
2
2a∵AD 2
+PD
2
=2
2
22
22???
?
??+???? ??a a =a2=AP 2
∴ΔAPD 为直角三角形即AD⊥D P又∵AD ⊥BC
∴AD ⊥平面P BC
∴平面AB C⊥平面PBC 12. 如图,直角BAC 在α外,
α//AB ,C AC =?α,求证:BAC ∠在α内射影B A C ''∠为直角。
A B
C
D
F E
G A'
C A A AB A A AB B A A A B A AB AB AB '⊥????
??'⊥???
?
?
?
?'
'⊥''?????=?面////αββα?13A.平面ABD ⊥平面ADC B.平面ABD ⊥平面ABC C .平面ADC ⊥平面BCD D.平面ABC ⊥平面BCD
【解析】由AD ⊥BC ,B D⊥AD ?AD ⊥平面BCD ,面AD ?平面ADC ∴平面ADC ⊥平面BCD .【答案】C 2.直三棱柱ABC —A 1B 1C 1中,∠AC B=90°,A C=AA 1=a,则点A 到平面A 1BC 的距离是( )
A .a ???B.2a ??C .2
2
a D.3a
【解析】取A 1C 的中点O,连结A O,∵AC =AA 1,∴AO ⊥A1C,又该三棱柱是直三棱柱.∴平面A 1C ⊥平面ABC .又
2
3.三个平面两两垂直,它们的三条交线交于一点O,P 到三个面的距离分别是3,4,5,则OP 的长为( ) A .53 ??B.52 ? C.35 ? D .25
【解析】构造一个长方体,OP 为对角线.【答案】B
4.在两个互相垂直的平面的交线上,有两点A 、B,AC 和BD 分别是这两个平面内垂直于AB 的线段,AC =6,AB=8,BD=24,则C 、D间距离为_____.
【解析】如图,CD=2
2
AD CA +=2
2
2
BD AB CA ++=2
2
2
2486++=676=26
5.设两个平面α、β,直线l ,下列三个条件:①l ⊥α,②l ∥β,③ α⊥β.若以其中两个作为前提,另一个作为结论,则可构成三个命题,这三个命题中正确的命题个数为( )
A .3 B.2 ? C.1 D .0
【解析】①②?③,其余都错【答案】C 【典型例题精讲】
[例1] 如图9—39,过S引三条长度相等但不共面的线段SA 、SB 、S C,且∠ASB=∠ASC=60°,∠B SC=90°,求证:平面A BC⊥平面BSC.
图9—39
【证明】∵SB=SA=SC,∠ASB=∠ASC=60°∴AB=SA=AC 取BC的中点O,连AO 、SO ,则AO ⊥B C,SO ⊥BC,
∴∠AOS 为二面角的平面角,设SA =SB=S C=a,又∠B SC=90°,∴BC=
2a,SO=
2
2a,
AO 2=AC 2-OC 2
=a 2-21a 2=21
a 2,∴S A2=AO
2
+O S2,∴∠AO S=90°,从而平面ABC ⊥平面BS C. 【评述】要证两平面垂直,证其二面角的平面角为直角.这也是证两平面垂直的常用方法. [例2]如图9—40,在三棱锥S—ABC 中,SA ⊥平面ABC ,平面SA B⊥平面SBC.
图9—40
(1)求证:AB ⊥BC;(2)若设二面角S—BC —A 为45°,SA=BC ,求二面角A—S C—B 的大小.
(1)【证明】作AH ⊥S B于H,∵平面SAB ⊥平面SB C.平面S AB ∩平面SBC=SB,∴A H⊥平面S BC, 又SA ⊥平面ABC,∴SA ⊥BC,而SA 在平面SBC 上的射影为S B,∴BC ⊥SB,又S A∩SB=S, ∴BC ⊥平面S AB .∴BC ⊥AB. (2)【解】∵SA ⊥平面ABC,∴平面S AB⊥平面ABC,又平面SA B⊥平面SBC,∴∠SBA 为二面角S —BC —A的平面角,
∴∠SBA =45°.设SA=AB=B C=a ,
作A E⊥SC 于E ,连EH,则EH ⊥S C,∴∠AEH 为二面角A —S C—B 的平面角,而AH=
2
2a ,AC=
2a ,SC=3
a,AE=
3
6a
∴sin ∠A EH=
23
,二面角A—S C—B 为60°.
【注】三垂线法是作二面角的平面角的常用方法.
[例3]如图9—41,PA ⊥平面ABCD,四边形ABC D是矩形,P A=A D=a,M 、N 分别是AB 、PC 的中点.
(1)求平面PCD 与平面ABCD 所成的二面角的大小;(2)求证:平面MN D⊥平面P CD
(1)【解】PA ⊥平面ABCD,CD ⊥AD ,
∴PD ⊥C D,故∠P DA 为平面ABCD 与平面PCD 所成二面角的平面角,在Rt △P AD 中,P A=A D, ∴∠PDA=45°
(2)【证明】取P D中点E ,连结EN ,EA ,则E N 2
1CD AM,∴四边形EN MA 是平行四边形,∴E A∥M N. ∵AE ⊥PD ,AE ⊥CD,∴A E⊥平面P CD ,从而MN ⊥平面PC D,∵MN 平面M ND,∴平面MND ⊥平面P CD. 【注】 证明面面垂直通常是先证明线面垂直,本题中要证MN ⊥平面P CD 较困难,转化为证明A E⊥平面PCD 就较简单了.另外,在本题中,当AB 的长度变化时,可求异面直线PC 与AD 所成角的范围.
[例4]如图9—42,正方体A BCD —A 1B 1C 1D 1中,E 、F 、M、N分别是A 1B 1、BC 、C 1D1、B 1C 1的中点.
图9—42
(1)求证:平面M NF ⊥平面ENF.(2)求二面角M —E F—N的平面角的正切值.
(1)【证明】∵M、N 、E 是中点,∴M C NC N B EB 1111===∴?=∠=∠45MNC ENB 11
∴?=∠90MNE 即M N⊥EN,又NF ⊥平面A 1C1,11C A MN 平面?∴M N⊥N F,从而MN⊥平面ENF .∵MN ?平面MN F,
∴平面MN F⊥平面ENF.
(2)【解】过N 作NH ⊥EF 于H ,连结MH.∵MN ⊥平面ENF,N H为MH 在平面ENF 内的射影,
∴由三垂线定理得MH ⊥E F,∴∠MH N是二面角M—EF —N 的平面角.在R t△MNH 中,求得MN =2
2a,NH=
3
3a,
∴tan ∠MHN=26
=NH
MN ,即二面角M —E F—N 的平面角的正切值为26.
[例5]在长方体ABC D—A 1B 1C 1D 1中,底面ABC D是边长为2的正方形,侧棱长为3,E 、F分别是AB
1
、C B1的中
点,求证:平面D1EF ⊥平面AB1C .
【证明】如图9—43,∵E、F 分别是AB 1、CB 1的中点,
图9—43∴EF ∥AC .∵AB 1=C B1,O 为A C的中点.∴B 1O ⊥AC .故B 1O ⊥EF.在Rt △B 1B O中,∵BB 1=
3,BO=1.
∴∠BB1O=30°,从而∠OB 1D 1=60°,又B1D1=2,B 1O1=2
1
OB 1=1(O 1为BO 与EF 的交点)
∴△D1B 1O1是直角三角形,即B 1O ⊥D 1O 1,∴B 1O ⊥平面D 1EF.又B 1O ?平面AB 1C,∴平面D 1E F⊥平面A B1C.
1.棱长都是2的直平行六面体AB CD —A 1B 1C 1D 1中,∠B AD=60°,则对角线A 1C与侧面DCC 1D 1所成角的正弦值为_____.
【解】过A 1作A 1G⊥C 1D1于G,由于该平行六面体是直平行六面体,∴A 1G ⊥平面D 1C ,连结C G,∠A 1CG 即为A 1C 与侧面DCC 1D 1所成的角.
∵A 1G= A 1 D 1 ·sin ∠A1 D 1 G =2sin60°=2·
23
=3而
AC=???-+120cos 222BC AB BC AB =
3
2)21
(2222222=-???-+∴A 1C
=
4124221=+=+AC A A ,
∴sin ∠A1CG=
4311=C A G A .【答案】43
2.E、F 分别是正方形ABC D的边AB 和CD 的中点,EF 、BD 相交于O,以EF 为棱将正方形折成直二面角,则∠BOD=_____.
【解析】设正方形的边长为2a.
则D O2=a 2+a2=2a 2OB 2=a2+a 2=2a 2DB 2=DF 2+FB 2=a2+4a2+a2
=6a2
∴cos ∠DO B=21
222622222-
=??-+a
a a a a ,∴∠DOB =120°
3.如图9—44,已知斜三棱柱ABC —A1B 1
C 1的各棱长均为2,侧棱与底面成3π
的角,侧面ABB
1
A 1垂直于底面,
图9—44
(1)证明:B 1C ⊥C1A.(2)求四棱锥B —ACC 1A 1的体积.
(1)【证明】过B 1作B 1O ⊥AB 于O,∵面ABB 1A 1⊥底面ABC,面AB ABC A ABB 11=面 ∴B 1O⊥面AB C,∴
∠B1
BA 是侧棱与底面所成角,∴∠B1BA=3π
,又各棱长均为2,∴O 为AB 的中点,连CO,则CO⊥AB,而OB 1∩CO=O,
∴AB ⊥平面B1O C,又B 1C?平面OB 1C,∴B 1C ⊥A B,连BC 1,∵BCC 1B 1为边长为2的菱形,∴B 1C ⊥BC 1,而AB ∩BC 1=B ,
∴B 1C ⊥面ABC 1∵A 1C ?面AB C1∴B 1C ⊥A C1
(2)【解】在Rt △B B1O 中,BB 1=2,BO=1,B 1O=
3,V
柱
=Sh=
43·4·3=3,∴111C B A B V -=31V
柱
=1,
C
C AA B V 11-=V柱-111C B A B V
-=3-1=2
4.如图9—45,四棱锥P —ABCD 的底面是边长为a 的正方形,P A⊥底面AB CD,E 为AB 的中点,且PA=AB .
图9—45
(1)求证:平面PCE⊥平面PCD;(2)求点A到平面PCE的距离.
(1)【证明】PA⊥平面ABCD,AD是PD在底面上的射影,
又∵四边形ABCD为矩形,∴CD⊥AD,∴CD⊥PD,∵AD∩PD=D∴CD⊥面PAD,∴∠PDA为二面角P—CD—B的平面角,∵PA=PB=AD,PA⊥AD∴∠PDA=45°,取Rt△PAD斜边PD的中点F,则AF⊥PD,∵AF?面PAD∴
CD⊥AF,又PD∩CD=D∴AF⊥平面PCD,取PC的中点G,连GF、AG、EG,则GF 2
1
CD又AE 2
1
CD,
∴GF AE∴四边形AGEF为平行四边形∴AF∥EG,∴EG⊥平面PDC又EG ?平面PEC,∴平面PEC⊥平面PCD.
(2)【解】由(1)知AF∥平面PEC,平面PCD⊥平面PEC,过F作FH⊥PC于H,则FH⊥平面PEC
∴FH为F到平面PEC的距离,即为A到平面PEC的距离.在△PFH与△PCD中,∠P为公共角,
而∠FHP=∠CDP=90°,∴△PFH∽△PCD.∴
PC
PF
CD
FH
=
,设AD=2,∴PF=
2,
PC=
3
2
4
8
2
2=
+
=
+CD
PD,∴FH=3
6
2
3
2
2
=
?
∴A到平面PEC的距离为
3
6
.
5.已知直四棱柱ABCD—A1B1C1D1的底面是菱形,对角线AC=2,BD=2
3,E、F分别为棱CC
1、BB1上的点,且
满足EC=BC=2FB.
图9—46
(1)求证:平面AEF⊥平面A1ACC1;(2)求异面直线EF、A1C1所成角的余弦值.
(1)【证明】∵菱形对角线AC=2,BD=2
3∴BC=2,EC=2,FB=1,取AE中点M,连结MF,设BD与AC交于点O,M
O2
1
EC FB
?
(2)在AA1上取点N,使AN=2,连结NE,则NE ACA1C1
故∠NEF为异面直线A1C1与EF所成的角,连结NF,在直角梯形NABF中易求得NF=
5,同理求得EF=5.
在△ENF中,cos∠NEF=
5
5
5
2
2
5
4
3
=
?
?
-
+
,即EF与A1C1所成角的余弦值为
5
5
.
【解题指导】在证明两平面垂直时,一般方法是先从现有的直线中寻找平面的垂线;若没有这样的直线,则可通过作辅助线来解决,而作辅助线则应有理论根据并且要有利于证明,不能随意添加.在有平面垂直时,一般要用性质定理,在一个平面内作交线的垂线,使之转化为线面垂直.解决这类问题的关键是熟练掌握“线线垂直”“线面垂直”“面面垂直”间的转化条件和转化应用.
【拓展练习】
一、备选题
1.如图,AB是圆O的直径,C是圆周上一点,PA⊥平面ABC.
(1)求证:平面PAC⊥平面PBC;
(2)若D也是圆周上一点,且与C分居直径AB的两侧,试写出图中所有互相垂直的各对平面.
(1)【证明】∵C是AB为直径的圆O的圆周上一点,AB是圆O的直径
∴BC⊥AC;
又PA⊥平面ABC,BC?平面ABC,
∴BC⊥PA,从而BC⊥平面PAC.
∵BC ?平面PBC,
∴平面PAC⊥平面PBC.
(2)【解】平面PAC⊥平面ABCD;平面PAC⊥平面PBC;平面PAD⊥平面PBD;平面PAB⊥平面ABCD;平面PA D⊥平面ABCD.
2.ABC—A′B′C′是正三棱柱,底面边长为a,D,E分别是BB′,CC′上的一点,BD=2
1
a,EC=a.
(1)求证:平面ADE⊥平面ACC′A′; (2)求截面△ADE的面积.
(1)【证明】分别取A′C ′、AC 的中点M 、N,连结MN , 则MN ∥A ′A ∥B ′B ,
∴B ′、M 、N 、B 共面,∵M为A ′C ′中点,B ′C′=B ′A ′,∴B ′M ⊥A ′C ′,又B ′M ⊥AA′且AA ′∩A ′C ′=A ′
∴B′M⊥平面A′AC C′. 设MN 交AE 于P,
∵CE=AC,∴PN =NA =2a
.
又DB=21
a ,∴PN=BD.
∵PN∥BD , ∴PNBD 是矩形,于是PD ∥B N,BN ∥B′M , ∴PD ∥B′M .
∵B ′M ⊥平面ACC ′A ′,
∴PD ⊥平面A CC ′A′,而PD ?平面AD E, ∴平面A DE ⊥平面A CC′A ′. (2)【解】∵PD ⊥平面ACC ′A′,
∴PD ⊥AE,而PD=B ′M=2
3a ,
AE=
2a.
∴S △
ADE =21
×A E×PD
=21
×246232a
a a =?.