高三21空间中的垂直关系.doc

空间中的垂直关系题型1：线线垂直问题例1如图1所示，已知正方体ABCDA1B1C1D1中，E、F、G、H、L、M、N分别为A1D1，A1B1，BC，CD，DA，DE，CL的中点，求证：EFGF。证明：如图2，作GQB1C1于Q，连接FQ，则GQ平面A1B1C1D1，且Q为B1C1的中点。在正方形A1B1C1D1中，由E、F、Q分别为A1D1、A1B1、B1C1的中点可证明EFFQ，由三垂线定理得EFGF。点评：以垂直为背景，加强空间想象能力的考查，体现了立体几何从考查、论证思想。ABCDEA1B1C1OF例2如图，在直三棱柱ABCA1B1C1中，ABBC，D、E分别为BB1、AC1的中点，证明：ED为异面直线BB1与AC1的公垂线。证明：设O为AC中点，连接EO，BO，则EOC1C，又C1CB1B，所以EODB，EOBD为平行四边形，EDOB。ABBC，BOAC，又平面ABC平面ACC1A1，BO面ABC，故BO平面ACC1A1，ED平面ACC1A1，BDAC1，EDCC1，EDBB1，ED为异面直线AC1与BB1的公垂线点评：该题考点多，具有一定深度，但入手不难，逐渐加深，逻辑推理增强。题型2：线面垂直问题例3（1）如图，ABCDA1B1C1D1是正四棱柱，求证：BD平面ACC1A1。证明：（1）ABCDA1B1C1D1是正四棱柱，CC1平面ADCD, BDCC1ABCD是正方形BDAC又AC，CC1平面ACC1A1,且ACCC1=C, BD平面ACC1A1。（2）如图，在五面体ABCDEF中，点O是矩形ABCD的对角线的交点，面CDE是等边三角形，棱。（I）证明平面；（II）设证明平面。（2）证明：（I）取CD中点M，连结OM。在矩形ABCD中，又则连结EM，于是四边形EFOM为平行四边形。又平面CDE，且平面CDE，平面CDE。（II）连结FM。由（I）和已知条件，在等边中，且因此平行四边形EFOM为菱形，从而。平面EOM，从而而所以平面点评：本题考查直线与平面垂直等基础知识，考查空间想象能力和推理论证能力题型3：面面垂直问题例5如图，ABC 为正三角形，EC 平面ABC ，BD CE ，CE CA 2 BD ，M 是EA 的中点，求证：（1）DE DA ；（2）平面BDM 平面ECA ；（3）平面DEA 平面ECA。分析：（1）证明DE DA ，可以通过图形分割，证明DEF DBA。（2）证明面面垂直的关键在于寻找平面内一直线垂直于另一平面。由（1）知DM EA ，取AC 中点N ，连结MN 、NB ，易得四边形MNBD 是矩形。从而证明DM 平面ECA。证明：（1）如图，取EC 中点F ，连结DF。 EC 平面ABC ，BD CE ，得DB 平面ABC 。 DB AB ，EC BC。 BD CE ，BD CE FC ，则四边形FCBD 是矩形，DF EC。又BA BC DF ， RtDEF RtABD ，所以DE DA。（2）取AC 中点N ，连结MN 、NB ， M 是EA 的中点， MN EC。由BD EC ，且BD 平面ABC ，可得四边形MNBD 是矩形，于是DM MN。 DE DA ，M 是EA 的中点， DM EA 又EA MN M ， DM 平面ECA ，而DM 平面BDM ，则平面ECA 平面BDM。（3） DM 平面ECA ，DM 平面DEA ， 平面DEA 平面ECA。点评：面面垂直的问题常常转化为线面垂直、线线垂直的问题解决。例6在四棱锥中，底面是矩形，平面，. 以的中点为球心、为直径的球面交于点，交于点.（1）求证：平面平面； （2）求直线与平面所成的角的大小；（3）求点到平面的距离.解：方法一：（1）依题设知，AC是所作球面的直径，则AMMC。又因为P A平面ABCD，则PACD，又CDAD，所以CD平面，则CDAM，所以A M平面PCD，所以平面ABM平面PCD。（2）由（1）知，又，则是的中点可得， 则设D到平面ACM的距离为，由即，可求得，设所求角为，则，。（1） 可求得PC=6。因为ANNC，由，得PN。所以。故N点到平面ACM的距离等于P点到平面ACM距离的。又因为M是PD的中点，则P、D到平面ACM的距离相等，由（2）可知所求距离为。方法二：（1）同方法一；（2）如图所示，建立空间直角坐标系，则， ，；设平面的一个法向量，由可得：，令，则。设所求角为，则， 所以所求角的大小为。（2） 由条件可得，.在中，,所以,则, ，所以所求距离等于点到平面距离的，设点到平面距离为则，所以所求距离为。题型4：射影问题例7如图，在棱长为1的正方体中，是侧棱上的一点，。（）试确定，使直线与平面所成角的正切值为；（）在线段上是否存在一个定点Q，使得对任意的，D1Q在平面上的射影垂直于，并证明你的结论。解法1：（）连AC，设AC与BD相交于点O,AP与平面相交于点，连结OG，因为PC平面，平面平面APCOG，故OGPC，所以OGPC。又AOBD,AOBB1，所以AO平面，故AGO是AP与平面所成的角。在RtAOG中，tanAGO，即m。所以，当m时，直线AP与平面所成的角的正切值为。（）可以推测，点Q应当是AICI的中点O1，因为D1O1A1C1, 且 D1O1A1A ，所以 D1O1平面ACC1A1，又AP平面ACC1A1，故 D1O1AP。那么根据三垂线定理知，D1O1在平面APD1的射影与AP垂直。点评：本小题主要考查线面关系、直线于平面所成的角的有关知识及空间想象能力和推理运算能力，考查运用向量知识解决数学问题的能力。例8如图1所示，已知A1B1C1ABC是正三棱柱，D是AC的中点。（1）证明AB1DBC1；（2）假设AB1BC1，BC=2。求线段AB1在侧面B1BCC1上的射影长证明：（1）如图2所示，A1B1C1ABC是正三棱柱，四边形B1BCC1是矩形。连结B1C，交BC1于E，则BE=EC。连结DE，在AB1C中，AD=DC，DEAB1，又因为AB1平面DBC1，DE平面DBC1，AB1平面DBC1。（3） 作AFBC，垂足为F。因为面ABC面B1BCC1，AF平面B1BCC1。连结B1F，则B1F是AB1在平面B1BCC1内的射影。BC1AB1，BC1B1F。四边形B1BCC1是矩形，B1BF=BCC1=90，又FB1B=C1BC，B1BFBCC1，则=。又F为正三角形ABC的BC边中点，因而B1B2=BFBC=12=2。于是B1F2=B1B2+BF2=3，B1F=，即线段AB1在平面B1BCC1内的射影长为。点评：建立直线和平面的位置关系与点、线在平面上的射影间的关系。题型5：垂直的应用例9已知是边长为的正三角形所在平面外一点，求异面直线与的距离FCABDEFCABDEFCABDE图图图解析：分别取、中点、，连结（图）。连结、（图），为公共边， 点为中点 同理：（图）又，即为异面直线与的公垂线段如图，在中， 异面直线与的距离。点评：求异面直线的距离，必须先找到两条异面直线的公垂线段。例10如图，在空间四边形中，、分别是边、的中点，对角线且它们所成的角为。求证：，求四边形的面积。解析：在中，、分别是边、的中点，ABCDEFGH在中，、分别是边、的中点， 且，同理：且，四边形为菱形，。，（或的补角）即为异面直线与所成的角，由已知得：（或），四边形的面积为：。题型6：课标创新题例11（1）如图（1）所示，E、F分别为正方体的面ADD1A1、面BCC1B1的中心，则四边形BFD1E在该正方体的面上的射影可能是图（2）的 （要求：把可能的图的序号都填上）图（1） 图（2）答案：解析：面BFD1E面ADD1A1，所以四边形BFD1E在面ADD1A1上的射影是，同理，在面BCC1B1上的射影也是。过E、F分别作DD1和CC1的垂线，可得四边形BFD1E在面DCC1D1上的射影是，同理在面ABB1A1，面ABCD和面A1B1C1D1上的射影也是。（2）命题A：底面为正三角形，且顶点在底面的射影为底面中心的三棱锥是正三棱锥命题A的等价命题B可以是：底面为正三角形，且 的三棱锥是正三棱锥。答案：侧棱相等（或侧棱与底面所成角相等）解析：要使命题B与命题A等价，则只需保证顶点在底面上的射影S是底面正三角形的外心即可，因此，据射影定理，得侧棱长相等。例12如图，四棱锥S-ABCD 的底面是正方形，每条侧棱的长都是地面边长的倍，P为侧棱SD上的点。 （）求证：ACSD； （）若SD平面PAC，求二面角P-AC-D的大小（）在（）的条件下，侧棱SC上是否存在一点E， 使得BE平面PAC。若存在，求SE：EC的值；若不存在，试说明理由。解法一：（）连BD，设AC交BD于O，由题意。在正方形ABCD中，所以,得. ()设正方形边长，则。又，所以, 连，由（）知,所以, 且,所以是二面角的平面角。由,知,所以,即二面角的大小为。 （）在棱SC上存在一点E，使由（）可得，故可在上取