（魯京遼）2018-2019學(xué)年高中數(shù)學(xué) 第一章 立體幾何初步 1.2.3 第2課時(shí) 平面與平面垂直學(xué)案 新人教B版必修2

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1、 第2課時(shí)　平面與平面垂直 學(xué)習(xí)目標(biāo)　1.理解面面垂直的定義，并能畫(huà)出面面垂直的圖形.2.掌握面面垂直的判定定理及性質(zhì)定理，并能進(jìn)行空間垂直的相互轉(zhuǎn)化.3.掌握面面垂直的證明方法，并能在幾何體中應(yīng)用． 知識(shí)點(diǎn)一　平面與平面垂直的定義 1．條件：如果兩個(gè)相交平面的交線與第三個(gè)平面垂直，又這兩個(gè)平面與第三個(gè)平面相交所得的兩條交線互相垂直． 2．結(jié)論：兩個(gè)平面互相垂直． 3．記法：平面α，β互相垂直，記作α⊥β. 知識(shí)點(diǎn)二　平面與平面垂直的判定定理 思考　建筑工人常在一根細(xì)線上拴一個(gè)重物，做成“鉛錘”，用這種方法來(lái)檢查墻與地面是否垂直．當(dāng)掛鉛錘的線從上面某一點(diǎn)垂下時(shí)，如果墻壁貼近

2、鉛錘線，則說(shuō)明墻和地面什么關(guān)系？此時(shí)鉛錘線與地面什么關(guān)系？ 答案　都是垂直． 梳理　平面與平面垂直的判定定理 文字語(yǔ)言 如果一個(gè)平面過(guò)另一個(gè)平面的垂線，則這兩個(gè)平面互相垂直 圖形語(yǔ)言 符號(hào)語(yǔ)言 a⊥α，a?β?α⊥β 知識(shí)點(diǎn)三　平面與平面垂直的性質(zhì)定理 思考　黑板所在平面與地面所在平面垂直，你能否在黑板上畫(huà)一條直線與地面垂直？ 答案　容易發(fā)現(xiàn)墻壁與墻壁所在平面的交線與地面垂直，因此只要在黑板上畫(huà)出一條與這條交線平行的直線，則所畫(huà)直線必與地面垂直． 梳理　 文字語(yǔ)言 圖形語(yǔ)言 符號(hào)語(yǔ)言 如果兩個(gè)平面互相垂直，那么在一個(gè)平面內(nèi)垂直于它們交線的直線垂直于另一個(gè)平

3、面 α⊥β，α∩β＝CD，BA?α， BA⊥CD，B為垂足?BA⊥β 1．若l⊥α，則過(guò)l有無(wú)數(shù)個(gè)平面與α垂直．(　√　) 2．若平面α⊥平面β，任取直線l?α，則必有l(wèi)⊥β.(　×　) 3．已知兩個(gè)平面垂直，過(guò)一個(gè)平面內(nèi)任意一點(diǎn)作交線的垂線，則此垂線必垂直于另一個(gè)平面． (　×　) 類(lèi)型一　面面垂直的判定 例1　如圖，四棱錐P－ABCD的底面是正方形，PD⊥底面ABCD，點(diǎn)E在棱PB上，求證：平面AEC⊥平面PDB. 證明　設(shè)AC∩BD＝O，連接OE， ∵AC⊥BD，AC⊥PD，PD，BD為平面PDB內(nèi)兩條相交直線， ∴AC⊥平面PDB. 又∵

4、AC?平面AEC， ∴平面AEC⊥平面PDB. 反思與感悟　應(yīng)用判定定理證明平面與平面垂直的基本步驟 跟蹤訓(xùn)練1　如圖，在三棱柱ABC－A1B1C1中，側(cè)棱垂直底面，∠ACB＝90°，AC＝AA1，D是棱AA1的中點(diǎn)．證明：平面BDC1⊥平面BDC. 證明　由題設(shè)知BC⊥CC1，BC⊥AC，CC1∩AC＝C， 所以BC⊥平面ACC1A1. 又DC1?平面ACC1A1，所以DC1⊥BC. 由題設(shè)知∠A1DC1＝∠ADC＝45°，所以∠CDC1＝90°， 即DC1⊥DC.又DC∩BC＝C，所以DC1⊥平面BDC. 又DC1?平面BDC1，所以平面BDC1⊥平面BDC.

5、類(lèi)型二　面面垂直的性質(zhì)定理及應(yīng)用 例2　如圖，在三棱錐P－ABC中，PA⊥平面ABC，平面PAB⊥平面PBC. 求證：BC⊥AB. 證明　如圖，在平面PAB內(nèi)， 作AD⊥PB于D. ∵平面PAB⊥平面PBC， 且平面PAB∩平面PBC＝PB. ∴AD⊥平面PBC. 又BC?平面PBC，∴AD⊥BC. 又∵PA⊥平面ABC，BC?平面ABC，∴PA⊥BC，又∵PA∩AD＝A，∴BC⊥平面PAB. 又AB?平面PAB，∴BC⊥AB. 反思與感悟　證明線面垂直，一種方法是利用線面垂直的判定定理，另一種方法是利用面面垂直的性質(zhì)定理．本題已知面面垂直，故可考慮面面垂直的性質(zhì)

6、定理．利用面面垂直的性質(zhì)定理證明線面垂直的問(wèn)題時(shí)，要注意以下三點(diǎn)：(1)兩個(gè)平面垂直．(2)直線必須在其中一個(gè)平面內(nèi)．(3)直線必須垂直于它們的交線． 跟蹤訓(xùn)練2　如圖所示，P是四邊形ABCD所在平面外的一點(diǎn)，ABCD是∠DAB＝60°且邊長(zhǎng)為a的菱形．側(cè)面PAD為正三角形，其所在平面垂直于底面ABCD，G為AD邊的中點(diǎn)． 求證：(1)BG⊥平面PAD； (2)AD⊥PB. 證明　(1)平面PAD⊥平面ABCD，平面PAD∩平面ABCD＝AD， 又∵四邊形ABCD是菱形且∠DAB＝60°， ∴△ABD是正三角形，∴BG⊥AD. ∴BG⊥平面PAD. (2)由(1)可知BG⊥

7、AD，PG⊥AD.又BG∩PG＝G， ∴AD⊥平面PBG，又PB?平面PBG， ∴AD⊥PB. 類(lèi)型三　垂直關(guān)系的綜合應(yīng)用 例3　如圖所示，△ABC為正三角形，CE⊥平面ABC，BD∥CE，且CE＝AC＝2BD，M，N分別是AE，AC的中點(diǎn)，求證： (1)DE＝DA； (2)平面BDMN⊥平面ECA； (3)平面DEA⊥平面ECA. 解　(1)取CE的中點(diǎn)F，連接DF，易知DF∥BC， 因?yàn)镃E⊥平面ABC， 所以CE⊥BC，所以CE⊥DF. 因?yàn)锽D∥CE，所以BD⊥平面ABC， 所以BD⊥AB. 在Rt△EFD和Rt△DBA中， 因?yàn)镋F＝CE＝DB，D

8、F＝BC＝AB， 所以Rt△EFD≌Rt△DBA， 所以DE＝DA. (2)因?yàn)镋C⊥平面ABC，所以EC⊥BN， 因?yàn)椤鰽BC為正三角形，所以BN⊥AC. 因?yàn)镋C∩AC＝C， 所以BN⊥平面ECA. 又因?yàn)锽N?平面BDMN， 所以平面BDMN⊥平面ECA. (3)因?yàn)镸，N分別是AE，AC的中點(diǎn)， 所以MN綊CF綊BD，所以四邊形MNBD是平行四邊形， 所以DM∥BN， 由(2)知BN⊥平面ECA， 所以DM⊥平面ECA. 又因?yàn)镈M?平面DEA， 所以平面DEA⊥平面ECA. 反思與感悟　在關(guān)于垂直問(wèn)題的論證中要注意線線垂直、線面垂直、面面垂直的相互轉(zhuǎn)化

9、．每一種垂直的判定都是從某一垂直開(kāi)始轉(zhuǎn)向另一垂直，最終達(dá)到目的，其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下： 跟蹤訓(xùn)練3　如圖，在四棱錐P－ABCD中，AB∥CD，AB⊥AD，CD＝2AB，平面PAD⊥底面ABCD，PA⊥AD.E和F分別是CD和PC的中點(diǎn)，求證： (1)PA⊥底面ABCD； (2)BE∥平面PAD； (3)平面BEF⊥平面PCD. 證明　(1)∵PA⊥AD，平面PAD⊥平面ABCD，平面PAD∩平面ABCD＝AD，由平面和平面垂直的性質(zhì)定理可得PA⊥平面ABCD. (2)∵AB∥CD，AB⊥AD，CD＝2AB，E和F分別是CD和PC的中點(diǎn)，故四邊形ABED為平行四邊形，故有BE∥AD

10、. 又AD?平面PAD，BE?平面PAD，∴BE∥平面PAD. (3)在平行四邊形ABED中，由AB⊥AD可得，ABED為矩形，故有BE⊥CD.① 由PA⊥平面ABCD，可得PA⊥AB，再由AB⊥AD可得AB⊥平面PAD， ∴CD⊥平面PAD，故有CD⊥PD. 再由E、F分別為CD和PC的中點(diǎn)，可得EF∥PD， ∴CD⊥EF.② 而EF和BE是平面BEF內(nèi)的兩條相交直線，故有CD⊥平面BEF. 由于CD?平面PCD，∴平面BEF⊥平面PCD. 1．下列四個(gè)命題 ①垂直于同一條直線的兩條直線相互平行； ②垂直于同一個(gè)平面的兩條直線相互平行； ③垂直于同一條直線的兩個(gè)平

11、面相互平行； ④垂直于同一個(gè)平面的兩個(gè)平面相互平行． 其中錯(cuò)誤的命題有(　　) A．1個(gè) B．2個(gè) C．3個(gè) D．4個(gè) 答案　B 解析　①垂直于同一條直線的兩條直線相互平行，不正確，如正方體的一個(gè)頂角的三個(gè)邊就不成立；②垂直于同一個(gè)平面的兩條直線相互平行，根據(jù)線面垂直的性質(zhì)定理可知正確；③垂直于同一條直線的兩個(gè)平面相互平行，根據(jù)面面平行的判定定理可知正確；④垂直于同一個(gè)平面的兩個(gè)平面相互平行，不正確，如正方體相鄰的三個(gè)面就不成立．故選B. 2．如圖，設(shè)P是正方形ABCD外一點(diǎn)，且PA⊥平面ABCD，則平面PAB與平面PBC、平面PAD的位置關(guān)系是(　　) A．平面PAB

12、與平面PBC、平面PAD都垂直 B．它們兩兩垂直 C．平面PAB與平面PBC垂直，與平面PAD不垂直 D．平面PAB與平面PBC、平面PAD都不垂直 答案　A 解析　∵PA⊥平面ABCD，∴PA⊥BC. 又BC⊥AB，PA∩AB＝A， ∴BC⊥平面PAB，∵BC?平面PBC， ∴平面PBC⊥平面PAB. 由AD⊥PA，AD⊥AB，PA∩AB＝A， 得AD⊥平面PAB. ∵AD?平面PAD，∴平面PAD⊥平面PAB. 由已知易得平面PBC與平面PAD不垂直，故選A. 3．如圖，在四面體ABCD中，已知AB⊥AC，BD⊥AC，那么D在面ABC內(nèi)的正投影H必在(　　)

13、 A．直線AB上 B．直線BC上 C．直線AC上 D．△ABC內(nèi)部 答案　A 解析　在四面體ABCD中，已知AB⊥AC，BD⊥AC，AB∩BD＝B，∴AC⊥平面ABD. 又∵AC?平面ABC， ∴平面ABC⊥平面ABD，平面ABC∩平面ABD＝AB， D在面ABC內(nèi)的射影H必在AB上． 故選A. 4．如圖所示，已知AF⊥平面ABCD，DE⊥平面ABCD，且AF＝DE，AD＝6，則EF＝________. 答案　6 解析　∵AF⊥平面ABCD，DE⊥平面ABCD， ∴AF∥DE. 又AF＝DE，∴四邊形AFED為平行四邊形， 故EF＝AD＝6. 5．如圖所

14、示，在四棱錐S－ABCD中，底面四邊形ABCD是平行四邊形，SC⊥平面ABCD，E為SA的中點(diǎn)． 求證：平面EBD⊥平面ABCD. 證明　連接AC與BD交于O點(diǎn)，連接OE. ∵O為AC的中點(diǎn)，E為SA的中點(diǎn)， ∴EO∥SC. ∵SC⊥平面ABCD， ∴EO⊥平面ABCD. 又∵EO?平面EBD， ∴平面EBD⊥平面ABCD. 1．面面垂直的性質(zhì)定理揭示了“面面垂直、線面垂直及線線垂直”間的內(nèi)在聯(lián)系，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)中的化歸轉(zhuǎn)化思想，其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下： 2．運(yùn)用平面垂直的性質(zhì)定理時(shí)，一般需要作鋪助線，基本作法是過(guò)其中一個(gè)平面內(nèi)一點(diǎn)作交線的垂線，這樣把面面垂直轉(zhuǎn)化為

15、線面垂直或線線垂直． 一、選擇題 1．設(shè)α，β是兩個(gè)不同的平面，l，m是兩條不同的直線，且l?α，m?β，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A．若l⊥β，則α⊥β B．若α⊥β，則l⊥m C．若l∥β，則α∥β D．若α∥β，則l∥m 答案　A 解析　∵l⊥β，l?α，∴α⊥β(面面垂直的判定定理)，故A正確． 2．如果直線l，m與平面α，β，γ滿(mǎn)足：β∩γ＝l，l∥α，m?α和m⊥γ，那么必有(　　) A．α⊥γ且l⊥m B．α⊥γ且m∥β C．m∥β且l⊥m D．α∥β且α⊥γ 答案　A 解析　B錯(cuò)，有可能m與β相交；C錯(cuò)，可能m與β相交；D錯(cuò)，有可能α

16、與β相交． 3．下列命題中正確的是(　　) A．平面α和β分別過(guò)兩條互相垂直的直線，則α⊥β B．若平面α內(nèi)的一條直線垂直于平面β內(nèi)的兩條平行直線，則α⊥β C．若平面α內(nèi)的一條直線垂直于平面β內(nèi)的兩條相交直線，則α⊥β D．若平面α內(nèi)的一條直線垂直于平面β內(nèi)的無(wú)數(shù)條直線，則α⊥β 答案　C 解析　當(dāng)平面α和β分別過(guò)兩條互相垂直且異面的直線時(shí)，平面α和β有可能平行，故A錯(cuò)；由直線與平面垂直的判定定理知，B、D錯(cuò)，C正確． 4.如圖，已知PA⊥矩形ABCD所在平面，則圖中互相垂直的平面有(　　) A．1對(duì) B．2對(duì) C．3對(duì) D．5對(duì) 答案　D 解析　∵DA⊥AB

17、，DA⊥PA，∴DA⊥平面PAB. 同理BC⊥平面PAB， 又AB⊥平面PAD， ∴DC⊥平面PAD， ∴平面PAD⊥平面AC，平面PAB⊥平面AC，平面PBC⊥平面PAB，平面PAB⊥平面PAD，平面PDC⊥平面PAD，共5對(duì)． 5．如圖，在四邊形ABCD中，AD∥BC，AD＝AB，∠BCD＝45°，∠BAD＝90°，將△ABD沿BD折起，使平面ABD⊥平面BCD，構(gòu)成幾何體A－BCD，則在幾何體A－BCD中，下列結(jié)論正確的是(　　) A．平面ABD⊥平面ABC B．平面ADC⊥平面BDC C．平面ABC⊥平面BDC D．平面ADC⊥平面ABC 答案　D 解析　由已

18、知得BA⊥AD，CD⊥BD， 又平面ABD⊥平面BCD， 平面ABD∩平面BCD＝BD， ∴CD⊥平面ABD， 從而CD⊥AB，故AB⊥平面ADC. 又AB?平面ABC， ∴平面ABC⊥平面ADC. 6．下列命題中錯(cuò)誤的是(　　) A．如果α⊥β，那么α內(nèi)所有直線都垂直于平面β B．如果α⊥β，那么α內(nèi)一定存在直線平行于平面β C．如果α不垂直于平面β，那么α內(nèi)一定不存在直線垂直于平面β D．如果α⊥γ，β⊥γ，α∩β＝l，那么l⊥γ 答案　A 解析　若α⊥β，則α內(nèi)必有垂直于β的直線，并非α內(nèi)所有直線都垂直于β，A錯(cuò)． 7．過(guò)兩點(diǎn)與一個(gè)已知平面垂直的平面(　　)

19、 A．有且只有一個(gè) B．有無(wú)數(shù)個(gè) C．有且只有一個(gè)或無(wú)數(shù)個(gè) D．可能不存在 答案　C 解析　設(shè)兩點(diǎn)為A，B，平面為α，若直線AB⊥α，則過(guò)A，B與α垂直的平面有無(wú)數(shù)個(gè)；若直線AB與α不垂直，即直線AB與α平行、相交但不垂直或在平面α內(nèi)，均存在唯一平面垂直于已知平面． 8．在正四面體P-ABC中，D，E，F(xiàn)分別是AB，BC，CA的中點(diǎn)，下面四個(gè)結(jié)論中不成立的是(　　) A．BC∥平面PDF B．DF⊥平面PAE C．平面PDF⊥平面ABC D．平面PAE⊥平面ABC 答案　C 解析　如圖所示，∵BC∥DF， ∴BC∥平面PDF，∴A正確． 由BC⊥PE，B

20、C⊥AE， 得BC⊥平面PAE， ∴DF⊥平面PAE，∴B正確． ∴平面ABC⊥平面PAE(BC⊥平面PAE)， ∴D正確． 二、填空題 9.如圖，A，B，C，D為空間四點(diǎn)，在△ABC中，AB＝2，AC＝BC＝，等邊三角形ADB以AB為軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)平面ADB⊥平面ABC時(shí)，則CD＝________. 答案　2 解析　如圖，取AB的中點(diǎn)E，連接DE，CE， 因?yàn)椤鰽DB是等邊三角形， 所以DE⊥AB. 當(dāng)平面ADB⊥平面ABC時(shí)， 因?yàn)槠矫鍭DB∩平面ABC＝AB， 所以DE⊥平面ABC. 又CE?平面ABC 可知DE⊥CE. 由已知可得DE＝，EC＝1，

21、 在Rt△DEC中，CD＝＝2. 10．如圖所示，已知兩個(gè)正方形ABCD和DCEF不在同一平面內(nèi)，M，N分別為AB，DF的中點(diǎn)．若CD＝2，平面ABCD⊥平面DCEF，則線段MN的長(zhǎng)為_(kāi)_______． 答案　 解析　取CD的中點(diǎn)G，連接MG，NG，因?yàn)锳BCD，DCEF為正方形，且邊長(zhǎng)為2，所以MG⊥CD，MG＝2，NG＝. 因?yàn)槠矫鍭BCD⊥平面DCEF， 所以MG⊥平面DCEF，可得MG⊥NG，所以MN＝＝. 11.如圖所示，在四棱錐P-ABCD中，PA⊥底面ABCD，且底面各邊都相等，M是PC上的一動(dòng)點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)M滿(mǎn)足________時(shí)，平面MBD⊥平面PCD.(只要填

22、寫(xiě)一個(gè)你認(rèn)為是正確的條件即可) 答案　DM⊥PC(或BM⊥PC等) 解析　由定理可知，BD⊥PC. ∴當(dāng)DM⊥PC(或BM⊥PC)時(shí)，即有PC⊥平面MBD， 而PC?平面PCD， ∴平面MBD⊥平面PCD. 三、解答題 12.如圖，在直三棱柱ABC—A1B1C1中，E，F(xiàn)分別是A1B，A1C的中點(diǎn)，點(diǎn)D在B1C1上，A1D⊥B1C1. 求證：(1)EF∥平面ABC； (2)平面A1FD⊥平面BB1C1C. 證明　(1)由E，F(xiàn)分別是A1B，A1C的中點(diǎn)知EF∥BC. 因?yàn)镋F?平面ABC，BC?平面ABC. 所以EF∥平面ABC. (2)由三棱柱ABC—A1B

23、1C1為直三棱柱知CC1⊥平面A1B1C1. 又A1D?平面A1B1C1， 故CC1⊥A1D. 又因?yàn)锳1D⊥B1C1，CC1∩B1C1＝C1， 故A1D⊥平面BB1C1C， 又A1D?平面A1FD， 所以平面A1FD⊥平面BB1C1C. 13.如圖，已知平面PAB⊥平面ABC，平面PAC⊥平面ABC，AE⊥平面PBC，E點(diǎn)為垂足． (1)求證：PA⊥平面ABC； (2)當(dāng)E為△PBC的垂心時(shí)，求證：△ABC是直角三角形． 證明　(1)在△ABC內(nèi)取一點(diǎn)D，作DF⊥AC于點(diǎn)F， 因?yàn)槠矫鍼AC⊥平面ABC，且交線為AC， 所以DF⊥平面PAC，又PA?平面PAC

24、，所以DF⊥AP. 作DG⊥AB于點(diǎn)G， 同理可證DG⊥AP. 因?yàn)镈G、DF都在平面ABC內(nèi)，且DG∩DF＝D， 所以PA⊥平面ABC. (2)連接BE并延長(zhǎng)，交PC于點(diǎn)H. 因?yàn)镋是△PBC的垂心，所以PC⊥BE. 又已知AE是平面PBC的垂線，所以PC⊥AE. 又BE∩AE＝E，所以PC⊥平面ABE. 因?yàn)锳B?平面ABE，所以PC⊥AB. 又因?yàn)镻A⊥平面ABC，AB?平面ABC， 所以PA⊥AB. 又PC∩PA＝P，所以AB⊥平面PAC. 又AC?平面PAC，所以AB⊥AC， 即△ABC是直角三角形． 四、探究與拓展 14．如圖所示，AB為圓O的直徑，

25、點(diǎn)C在圓周上(異于點(diǎn)A，B)，直線PA垂直于圓O所在的平面，點(diǎn)M為線段PB的中點(diǎn)．有以下四個(gè)命題：①PA∥平面MOB；②MO∥平面PAC；③OC⊥平面PAC；④平面PAC⊥平面PBC.其中正確的命題是________．(填上所有正確命題的序號(hào)) 答案　②④ 解析　因?yàn)镻A?平面MOB，所以①不正確；因?yàn)镸O∥PA，而且MO?平面PAC，所以②正確；OC不垂直于AC，所以③不正確；因?yàn)锽C⊥AC，BC⊥PA，AC∩PA＝A，所以BC⊥平面PAC，所以平面PAC⊥平面PBC，所以④正確． 15.如圖，在四棱錐P－ABCD中，PC⊥平面ABCD，AB∥DC，DC⊥AC. (1)求證：

26、DC⊥平面PAC； (2)求證：平面PAB⊥平面PAC； (3)設(shè)點(diǎn)E為AB的中點(diǎn)，在棱PB上是否存在點(diǎn)F，使得PA∥平面CEF？說(shuō)明理由． (1)證明　∵PC⊥平面ABCD，DC?平面ABCD， ∴PC⊥DC.又AC⊥DC，PC∩AC＝C，PC?平面PAC，AC?平面PAC，∴DC⊥平面PAC. (2)證明　∵AB∥CD，CD⊥平面PAC， ∴AB⊥平面PAC， 又∵AB?平面PAB， ∴平面PAB⊥平面PAC. (3)解　棱PB上存在點(diǎn)F，使得PA∥平面CEF. 證明如下： 取PB的中點(diǎn)F，連接EF，CE，CF，又∵E為AB的中點(diǎn)，∴EF為△PAB的中位線，∴EF∥PA.又PA?平面CEF，EF?平面CEF，∴PA∥平面CEF. 16