高三理科数学第一轮复习§7.5:直线、平面垂直的判定及其性质
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第五讲 直线、平面垂直的判定与性质知识梳理·双基自测 知识梳理知识点一 直线与平面垂直 (1)直线与平面垂直①定义:若直线l 与平面α内的_任意__一条直线都垂直,则直线l 与平面α垂直.②判定定理:一条直线与一个平面内的两条_相交__直线都垂直,则该直线与此平面垂直(线线垂直⇒线面垂直).即:a ⊂α,_b ⊂α__,l ⊥a ,l ⊥b ,a∩b=P ⇒l ⊥α.③性质定理:垂直于同一个平面的两条直线_平行__.即:a ⊥α,b ⊥α⇒_a ∥b__. (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_锐角__,叫做这条斜线和这个平面所成的角. 若直线与平面平行或直线在平面内,直线与平面所成角为_0__,若直线与平面垂直,直线与平面所成角为_π2__.②线面角θ的范围:θ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2.知识点二 平面与平面垂直 (1)二面角的有关概念①二面角:从一条直线出发的_两个半平面__所组成的图形叫做二面角.②二面角的平面角:以二面角的棱上任意一点为端点,在两个半平面内分别作与棱_垂直__的射线,则两射线所成的角叫做二面角的平面角.③二面角θ的范围:θ∈[0,π]. (2)平面与平面垂直①定义:两个平面相交,如果它们所成的二面角是_直二面角__,就说这两个平面互相垂直. ②判定定理:一个平面过另一个平面的垂线,则这两个平面垂直.即:a ⊂α,a ⊥β⇒_α⊥β__. ③性质定理:两个平面垂直,则一个平面内垂直于_交线__的直线与另一个平面垂直.即:α⊥β,a ⊂α,α∩β=b ,a ⊥b ⇒_a ⊥β__.重要结论1.若两条平行线中的一条垂直于一个平面,则另一条也垂直于这个平面.2.若一条直线垂直于一个平面,则它垂直于这个平面内的任何一条直线(证明线线垂直的一个重要方法).3.垂直于同一条直线的两个平面平行.4.一条直线垂直于两平行平面中的一个,则这条直线与另一个平面也垂直.双基自测题组一走出误区1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)(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)若直线a⊥α,b⊥α,则a∥b.( √)(4)若α⊥β,a⊥β,则a∥α.(×)(5)若直线a⊥平面α,直线b∥α,则直线a与b垂直.( √)(6)若平面α内的一条直线垂直于平面β内的无数条直线,则α⊥β.(×)题组二走进教材2.(多选题)(必修2P73T1)下列命题中正确的是( ABC )A.如果平面α⊥平面β,那么平面α内一定存在直线平行于平面βB.如果平面α不垂直于平面β,那么平面α内一定不存在直线垂直于平面βC.如果平面α⊥平面γ,平面β⊥平面γ,α∩β=l,那么l⊥平面γD.如果平面α⊥平面β,那么平面α内所有直线都垂直于平面β[解析] 对于D,若平面α⊥平面β,则平面α内的直线可能不垂直于平面β,即与平面β的关系还可以是斜交、平行或在平面β内,其他选项均是正确的.题组三走向高考3.(2017·课标全国Ⅲ)在正方体ABCD-A1B1C1D1中,E为棱CD的中点,则( C )A.A1E⊥DC1B.A1E⊥BDC.A1E⊥BC1D.A1E⊥AC[解析] ∵A1B1⊥平面BCC1B1,BC1⊂平面BCC1B1,∴A1B1⊥BC1,又BC1⊥B1C,且B1C∩A1B1=B1,∴BC1⊥平面A1B1CD,又A1E⊂平面A1B1CD,∴BC1⊥A1E.故选C.4.(2019·北京)已知l,m是平面α外的两条不同直线.给出下列三个论断:①l⊥m;②m∥α;③l⊥α.以其中的两个论断作为条件,余下的一个论断作为结论,写出一个正确的命题:_若l⊥α,l⊥m,则m∥α.(或若l⊥α,m∥α,则l⊥m)__.[解析] 由l,m是平面α外的两条不同直线,及线面平行的判定定理得:若l⊥α,l⊥m,则m∥α,若l⊥α,m∥α,则由线面垂直的性质和线面平行的性质得l⊥m,∴若l⊥α,m∥α,则l⊥m,故答案为:若l⊥α,l⊥m,则m∥α.(或若l⊥α,m∥α,则l⊥m).5.(2020·全国Ⅱ(节选))如图,已知三棱柱ABC-A1B1C1的底面是正三角形,侧面BB1C1C是矩形,M,N分别为BC,B1C1的中点,P为AM上一点.过B1C1和P的平面交AB于E,交AC于F.证明:AA1∥MN,且平面A1AMN⊥平面EB1C1F.[证明] ∵M,N分别为BC,B1C1的中点,∴MN∥BB1又AA1∥BB1,∴MN∥AA1在等边△ABC中,M为BC中点,则BC⊥AM.又∵侧面BB1C1C为矩形,∴BC⊥BB1∵MN∥BB1,MN⊥BC由MN∩AM=M,MN,AM⊂平面A1AMN∴BC⊥平面A1AMN又∵B1C1∥BC,且B1C1⊄平面ABC,BC⊂平面ABC,∴B1C1∥平面ABC又∵B1C1⊂平面EB1C1F,且平面EB1C1F∩平面ABC=EF∴B1C1∥EF,∴EF∥BC又∵BC⊥平面A1AMN∴EF⊥平面A1AMN∵EF⊂平面EB1C1F∴平面EB1C1F⊥平面A1AMN.考点突破·互动探究考点一空间垂直关系的基本问题——自主练透例1 (1)(2021·河北保定七校联考)设m,n是两条不同的直线,α,β是两个不同的平面,p:m⊥n,若p是q的必要条件,则q可能是( B )A.q:m⊥α,n∥β,α⊥βB.q:m⊂α,n⊥β,α∥βC.q:m⊥α,n⊥β,α∥βD.q:m⊂α,n∥β,α⊥β(2)(2019·陕西汉中质检一)已知l ,m 表示两条不同的直线,α,β表示两个不同的平面,l ⊥α,m ⊂β,则有下面四个命题:①若α∥β,则l ⊥m ,②若α⊥β,则l ∥m ;③若l ∥m ,则α⊥β;④若l ⊥m ,则α∥β.其中所有正确的命题是( A )A .①③B .①④C .②③D .①②③④(3)(多选题)(2021·四川成都诊断改编)已知α,β是空间中两个不同的平面,m ,n 是空间中两条不同的直线,则下列说法错误的是( ABD )A .若m ∥α,n ∥β,且α∥β,则m ∥nB .若m ∥α,n ∥β,且α⊥β,则m ∥nC .若m ⊥α,n ∥β,且α∥β,则m ⊥nD .若m ⊥α,n ∥β,且α⊥β,则m ⊥n[解析] (1)由题知q 能推出p :m ⊥n.对A ,当m ∥n 时仍然可以有m ⊥α,n ∥β,α⊥β.故A 错误.对B ,n ⊥β,α∥β,则n ⊥α,又m ⊂α,则m ⊥n.故B 正确.对C ,m ⊥α,α∥β则m ⊥β,又n ⊥β,故m ∥n.故C 错误.对D ,当α⊥β且相交于m 时,若n ∥m ,也满足m ⊂α,n ∥β.故D 错误.⎭⎬⎫⎭⎪⎬⎪⎫2l ⊥α α∥β⇒l ⊥βm ⊂β⇒l ⊥m ,①对;⎭⎬⎫⎭⎪⎬⎪⎫l ∥m l ⊥α⇒m ⊥α m ⊂β⇒α⊥β,③对;由图可知②④错.故选A .(3)由m ∥α,n ∥β,且α∥β,得m ∥n 或m 与n 相交,或m 与n 异面,故A 错误;由m ∥α,n ∥β,且α⊥β,得m ∥n 或m 与n 相交或m 与n 异面,故B 错误;由m ⊥α,α∥β,得m ⊥β,又n ∥β,则m ⊥n ,故C 正确;由m ⊥α,n ∥β且α⊥β,得m ∥n 或m 与n 相交或m 与n 异面,故D 错误,故选A 、B 、D .名师点拨解决空间中线面、面面垂直的问题有以下三种方法:(1)依据相关定理得出结论.(2)结合符合题意的模型(如构造正方体、长方体)作出判断,或借助笔、纸、桌面进行演示,注意能平移或旋转的线,让其动动再判断.(3)否定命题时只需举一个反例即可.〔变式训练1〕(1)(2021·东北三省三校模拟)已知α,β是不重合的平面,m ,n 是不重合的直线,则m ⊥α的一个充分条件是( C )A .m ⊥n ,n ⊂αB .m ∥β,α⊥βC .n ⊥α,n ⊥β,m ⊥βD .α∩β=n ,α⊥β,m ⊥n(2)(2021·福建福州调研)已知两条直线m ,n 和两个平面α,β,下列命题正确的是( A ) A .若m ⊥α,n ⊥β,且m ⊥n ,则α⊥β B .若m ∥α,n ∥β,且m ∥n ,则α∥β C .若m ⊥α,n ∥β,且m ⊥n ,则α⊥β D .若m ⊥α,n ∥β,且m ∥n ,则α∥β[解析] (1)对于答案A :m ⊥n ,n ⊂α,得出m 与α是相交的或是垂直的,或m ⊂α,故A 错;答案B :m ∥β,α⊥β,得出m 与α是相交的、平行的都可,故B 错;答案C :n ⊥α,n ⊥β,得出α∥β,再m ⊥β得出m ⊥α,故C 正确.⎭⎪⎬⎪⎫2m ⊥αm ⊥n⇒n ⊂α或n ∥α.若n ⊂α,又n ⊥β,∴α⊥β;若n ∥α,则存在l ⊂α且l ∥n ,又n ⊥β,∴l ⊥β,∴α⊥β,故A 正确;事实上,在B 中条件下,α、β可能相交;在C 中条件下,α、β可能平行;在D 的条件下,α⊥β,故选A .考点二 直线与平面垂直的判定与性质——多维探究角度1 线、面垂直的判定例2 如图所示,已知PA ⊥矩形ABCD 所在平面,M ,N 分别是AB ,PC 的中点.(1)求证:MN ⊥CD ;(2)若∠PDA =45°,求证:MN ⊥平面PCD . [证明] 解法一:(1)连接AC ,AN ,BN ,∵PA ⊥平面ABCD ,∴PA ⊥AC ,在Rt △PAC 中,N 为PC 中点. ∴AN =12PC .∵PA ⊥平面ABCD ,∴PA ⊥BC . 又BC ⊥AB ,PA∩AB=A , ∴BC ⊥平面PAB ,∴BC ⊥PB .从而在Rt △PBC 中,BN 为斜边PC 上的中线, ∴BN =12PC .∴AN =BN ,∴△ABN 为等腰三角形. 又M 为底边AB 的中点,∴MN ⊥AB ,又AB ∥CD ,∴MN ⊥CD . (2)∵PA ⊥平面ABCD ,∴PA ⊥AD . 又∠PDA =45°,∴AP =AD .∵四边形ABCD 为矩形,∴AD =BC ,∴PA =BC . 连接PM ,CM ,又∵M 为AB 的中点,∴AM =BM. 而∠PAM =∠CBM =90°,∴Rt △PAM ≌Rt △CBM. ∴PM =CM ,又N 为PC 的中点,∴MN ⊥PC . 由①知MN ⊥CD ,PC∩CD=C ,∴MN ⊥平面PCD . 解法二:∵PA ⊥平面ABCD , ∴PA ⊥AD ,PA ⊥AB ,又AB ⊥AD ,∴PA 、AB 、AD 两两垂直,如图建立空间直角坐标系,不妨设C(a ,b,0),P(0,0,c),则D(0,b,0),M ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2,0,0,N ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2,b 2,c 2, (1)由MN →=⎝ ⎛⎭⎪⎫0,b 2,c 2,CD →=(-a,0,0),∴MN →·CD →=0,∴MN ⊥CD . (2)∵∠PDA =45°,∴b =c , 又PC →=(a ,b ,-b),∴MN →·PC →=⎝ ⎛⎭⎪⎫0,b 2,b 2·(a,b ,-b)=0,∴MN ⊥PC ,又MN ⊥CD , ∴MN ⊥平面PCD . 角度2 线、面垂直的性质例3 (2021·河北“五个一联盟”联考,节选)如图,在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,B 1C 1⊥平面AA 1C 1C ,D 是AA 1的中点,△ACD 是边长为1的等边三角形.证明:CD ⊥B 1D .[证明] ∵△ACD 是边长为1的等边三角形, ∴∠ADC =60°,∠DA 1C 1=120°. ∵D 是AA 1的中点,△ACD 的边长为1, ∴AD =A 1D =A 1C 1=1,即△A 1C 1D 是等腰三角形, ∴∠A 1DC 1=30°,从而∠CDC 1=90°,即CD ⊥C 1D . ∵B 1C 1⊥平面AA 1C 1C ,且CD ⊂平面AA 1C 1C , ∴B 1C 1⊥CD .∵B 1C 1∩C 1D =C 1,B 1C 1⊂平面B 1C 1D ,C 1D ⊂平面B 1C 1D , ∴CD ⊥平面B 1C 1D .∵B 1D ⊂平面B 1C 1D ,∴CD ⊥B 1D .名师点拨1.证明线线垂直的常用方法 (1)利用特殊图形中的垂直关系. (2)利用等腰三角形底边中线的性质. (3)利用勾股定理的逆定理. (4)利用直线与平面垂直的性质. (5)向量法:a ⊥b ⇔a·b=0. 2.证明线面垂直的常用方法(1)利用判定定理,它是最常用的思路.(2)利用线面垂直的性质:若两平行线之一垂直于平面,则另一条线必垂直于该平面. (3)利用面面垂直的性质:①两平面互相垂直,在一个平面内垂直于交线的直线垂直于另一平面.②若两相交平面都垂直于第三个平面,则它们的交线垂直于第三个平面. (4)向量法:证明直线的方向向量与平面的法向量平行. 〔变式训练2〕(1)(角度1)(2020·河南六市一模)在如图所示的几何体中,ABC -A 1B 1C 1为三棱柱,且AA 1⊥平面ABC ,四边形ABCD 为平行四边形,AD =2CD .∠ADC =60°,若AA 1=AC ,求证:AC 1⊥平面A 1B 1CD .(2)(角度2)(2021·湖南炎德英才大联考,节选)如图,圆柱OQ 的上,下底面圆的圆心分别为Q ,O ,四边形ABCD 是圆柱OQ 的轴截面,点P 在圆柱OQ 的下底面圆周上,G 是DP 的中点,圆柱OQ 的底面圆的直径AB =4,母线AD =AP =2 3.求证:AG ⊥BD .[证明] (1)证法1:∵AD =2CD ,∠ADC = 60°, ∴DC ⊥AC ,又AA 1⊥平面ABC ,∴AA 1⊥DC . ∴DC ⊥平面AA 1C 1C ,又AC 1⊂平面AA 1C 1C , ∴DC ⊥AC 1,∵AA 1=AC ,∴四边形AA 1C 1C 为菱形,∴AC 1⊥A 1C , 而DC∩A 1C =C ,∴AC 1⊥平面A 1B 1CD . 证法2:∵AD =2CD ,∠ADC =60°,∴∠ACD =90°,则CD ,CA ,CC 1两两垂直.如图,建立空间直角坐标系C -xyz.不妨设CD =1,则C(0,0,0),D(1,0,0),A(0,3,0),C 1(0,0,3),A 1(0,3,3). ∴AC 1→=(0,-3,3),CD →=(1,0,0),CA 1→=(0,3,3).易得AC 1→·CD →=0,AC 1→·CA 1→=0.∴AC 1⊥CD ,AC 1⊥CA 1,又∵CD∩CA 1=C , ∴AC 1⊥平面A 1B 1CD .(2)证法1:∵AD =AP ,又G 是DP 的中点, ∴AG ⊥DP.①∵AB 为圆O 的直径,∴AP ⊥BP ,易知DA ⊥底面ABP ,∴DA ⊥BP ,而AD∩AP=A , ∴BP ⊥平面ADP ,又AG ⊂平面ADP ,∴BP ⊥AG ,②∴由①②可知:AG ⊥平面BDP ,又BD ⊂平面BDP , ∴AG ⊥BD .证法2:∵AB 为⊙O 的直径,∴PA ⊥PB ,如图建立空间直角坐标系,由题意知P(0,0,0),A(0,23,0),B(2,0,0),D(0,23,23),G(0,3,3), ∴AG →=(0,-3,3),BD →=(-2,23,23), ∴AG →·BD →=0,即AG ⊥BD .考点三 两个平面垂直的判定与性质——师生共研例4 (2020·四川成都二诊)如图,在正三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,AB =4,AA 1=6,E ,F 分别为BB 1,AC 的中点.(1)求证:平面A 1EC ⊥平面ACC 1A 1; (2)求几何体AA 1EBC 的体积.[解析] (1)证明:如图,连接AC 1交A 1C 于点O ,连接OE ,OF ,在正三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,四边形ACC 1A 1为矩形,所以OA =OC 1.又因为F 为AC 的中点, 所以OF ∥CC 1且OF =12CC 1.因为E 为BB 1的中点,所以BE ∥CC 1且BE =12CC 1.所以BE ∥OF 且BE =OF.所以四边形BEOF 是平行四边形,所以BF ∥OE. 因为AB =CB ,F 为AC 的中点, 所以BF ⊥AC ,所以OE ⊥AC .因为AA 1⊥底面ABC ,所以AA 1⊥BF ,所以OE ⊥AA 1. 又AA 1,AC ⊂平面ACC 1A 1,且AA 1∩AC=A , 所以OE ⊥平面ACC 1A 1.因为OE ⊂平面A 1EC ,所以平面A 1EC ⊥平面ACC 1A 1. (2)四棱锥A 1-EB 1C 1C 的高为h =4sin 60°=23, 底面为直角梯形,面积为S =12×(3+6)×4=18,得VA 1-EB 1C 1C =13×23×18=123,故几何体AA 1EBC 的体积为VAA 1EBC =VABC -A 1B 1C 1-VA 1-EB 1C 1C =12×4×4×32×6-123=12 3.例5 (2021·黑龙江大庆市质检)在四棱锥P -ABCD 中,平面PAD ⊥平面ABCD ,PA =PD =2,四边形ABCD 是边长为2的菱形,∠DAB =60°,E 是AD 的中点.(1)求证:BE ⊥平面PAD ; (2)求点E 到平面PAB 的距离.[解析] (1)连接BD ,在△PAD 中,PA =PD =2,E 是AD 的中点, ∴PE ⊥AD ,∵平面PAD ⊥平面ABCD ,平面PAD∩平面ABCD =AD , ∴PE ⊥平面ABCD ,∴PE ⊥BE ,又∵四边形ABCD 是边长为2的菱形,∠DAB =60°, ∴△ABD 为等边三角形, ∴BE ⊥AD ,又∵PE∩AD=E ,PE ⊂平面PAD ,AD ⊂平面PAD , ∴BE ⊥平面PAD .(2)在△PAB 中,PA =AB =2,PB =6,则S △PAB =152, 在△ABE 中,AB =2,AE =1,BE =3,则S △ABE =32, 由PE ⊥面ABCD ,PE =3,得 V P -ABE =13×3×12×1×3=12,由V P -ABE =V E -PAB ,设点E 到平面PAB 的距离为h , 则13×152×h=13×32×3,则h =155, 即点E 到平面PAB 的距离为155.名师点拨(1)判定面面垂直的方法①面面垂直的定义;②面面垂直的判定定理(a ⊥β,a ⊂α⇒α⊥β).(2)在已知面面垂直时,一般要用性质定理进行转化.在一个平面内作交线的垂线,转化为线面垂直,然后进一步转化为线线垂直.(3)〔变式训练3〕(1)(2020·湖南娄底模拟)如图所示,在四棱锥P -ABCD 中,底面ABCD 是菱形,∠DAB =π3,侧面PAD是等边三角形,且平面PAD ⊥平面ABCD ,E 为棱PC 上一点,若平面EBD ⊥平面ABCD ,则PE EC =_12__.(2)(2021·云南玉海一中期中)已知三棱锥P -ABC(如图1)的展开图如图2,其中四边形ABCD 为边长等于2的正方形,△ABE 和△BCF 均为正三角形.证明:平面PAC ⊥平面ABC .[解析] (1)取AD 的中点O ,连接OC 交BD 于F 点,连接EF ,∵△PAD 是等边三角形,∴PO ⊥AD ,∵OD ∥BC ,BC =2OD ,∴FC =2OF. 又∵平面PAD ⊥平面ABCD ,PO ⊥AD , ∴PO ⊥平面ABCD ,又∵平面BDE ⊥平面ABCD ,∴PO ∥平面BDE. ∴OP ∥EF ,∴PE EC =OF FC =12.故答案为:12.(2)证明:如图取AC 的中点O ,连接BO ,PO.由题意可知PA =PB =PC =2,∴PO =1,AO=BO=CO=1,∵在△PAC中,PA=PC,O为AC的中点,∴PO⊥AC.∵在△POB中,PO=1,OB=1,PB=2,∴PO2+OB2=PB2,∴PO⊥OB.∵AC∩OB=O,AC,OB⊂平面ABC,∴PO⊥平面ABC,∵PO⊂平面PAC,∴平面PAC⊥平面ABC.名师讲坛·素养提升立体几何中的轨迹问题例6 (多选题)(2021·山东青岛模拟)在如图所示的棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,点P 在侧面BCC1B1所在的平面上运动,则下列命题中正确的为( ABD )A.若点P总满足PA⊥BD1,则动点P的轨迹是一条直线B.若点P到点A的距离为2,则动点P的轨迹是一个周长为2π的圆C.若点P到直线AB的距离与到点C的距离之和为1,则动点P的轨迹是椭圆D.若点P到直线AD与直线CC1的距离相等,则动点P的轨迹是双曲线[解析] A.∵PA⊥BD1,∴P在过A且与BD1垂直的平面ACB1上,又P∈平面BCC1B,∴P的轨迹是平面ACB1与平面BCC1B1的交线B1C,故A正确;B.点P的轨迹是以A为球心,半径为2的球面与平面BCC1B1的交线,即点P的轨迹为小圆,设小圆的半径为r,球心A到平面BCC1B1的距离为1,则r=22-1=1,所以小圆周长l=2πr=2π,故B正确;C.点P到直线AB的距离就是点P到点B的距离,即平面BCC1B1内的点P满足|PB|+|PC|=1=|BC|,即满足条件的点P的轨迹就是线段BC,不是椭圆,故C不正确;D.如图,过P分别作PM⊥BC于点M,PE⊥CC1于点E,则PM⊥平面ABCD,所以PM⊥AD,过M作MN⊥AD,连接PN,PM∩MN=M,所以AD⊥平面PMN,所以PN⊥AD,如图建立平面直角坐标系,设P(x,y),PM=y,则PN2=1+y2,PE2=(1-x)2,即1+y2=(1-x)2,整理为:(x-1)2-y2=1,则动点P的轨迹是双曲线,故D正确.故选ABD.[引申](1)本例中,若点P到直线AB的距离与到直线CC1的距离相等,则点P的轨迹为_以B为焦点、CC1为准线的抛物线__.(2)本例中,若点P到直线AB的距离与到直线AD的距离相等,则点P的轨迹为_与BC距离为1的两条平行线__.名师点拨立体几何中的轨迹面是常转化为两面的交线,或在某面内建立坐标系通过求轨迹方程求解.〔变式训练4〕(2021·安徽蚌埠质检)平面α的一条斜线AP交平面α于P点,过定点A的直线l与AP垂直,且交平面α于M点,则M点的轨迹是( A )A.一条直线B.一个圆C.两条平行直线D.两个同心圆[解析] 由题意知M在过A且与PA垂直的平面β内,∴点M的轨迹为平面α与β的交线,故选A.。