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3.3 直线与平面垂直

空间向量及其在立体几何中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 直线与平面垂直是指直线与平面内任意一条直线都垂直的位置关系。

从哪来 本知识点为高二立体几何起点,无前置依赖,直接基于初中平面几何中“直线与直线垂直”的概念进行空间推广。

为什么 在平面几何中,垂直是两条直线的夹角为90度。在空间中,如果只要求直线与平面内某一条直线垂直,直线可能只是“斜着”穿过平面(如旗杆与地面某条线垂直,但旗杆可能倾斜)。只有当直线与平面内所有直线都垂直时,才能保证直线是“正”着穿过平面的。判定定理(与两条相交直线垂直)之所以成立,是因为平面内任意一条直线都可以由这两条相交直线线性表示,若与基底垂直,则与整个平面垂直。

直观演示法
用一支笔(代表直线)和一张纸(代表平面)。先让笔尖接触纸面,笔身倾斜,问学生:“笔和纸垂直吗?”学生说“不垂直”。再让笔身竖直,问:“现在呢?”学生说“垂直”。接着问:“怎么验证笔真的垂直,而不是看起来垂直?”引导学生发现:必须看笔是否与纸上任意方向都垂直。最后引入判定定理:只要验证笔与纸上两条相交的线垂直,就足够了。
适合:空间想象力较弱、依赖直观感知的学生。
逻辑推导法
从定义出发,强调“任意一条直线”是本质。然后提问:“要验证‘任意’,需要验证多少条?”学生可能说“无数条”。教师引导:“有没有办法用有限条代替无限条?”引入向量思想或基底思想:平面由两个不共线向量张成,若直线方向向量与这两个基底向量都垂直,则与平面内任意向量垂直。从而得出判定定理:与平面内两条相交直线垂直。
适合:逻辑推理能力强、喜欢从定义和公理出发的学生。
反例辨析法
先给出错误命题:“如果直线与平面内一条直线垂直,则直线与平面垂直。”让学生举反例(如墙角:一条棱垂直于另一条棱,但不垂直于墙面)。再给出另一个错误命题:“如果直线与平面内两条直线垂直,则直线与平面垂直。”让学生举反例(如两条平行线)。最后引出正确命题:“如果直线与平面内两条相交直线垂直,则直线与平面垂直。”通过不断修正错误,强化“相交”这一关键条件。
适合:容易混淆概念、需要强化辨析能力的学生。
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练一道
基础题
已知直线 $l$ 与平面 $\alpha$ 内的两条相交直线 $a, b$ 都垂直,求证:$l \perp \alpha$。
变式
在正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,求证:$AC_1 \perp$ 平面 $A_1BD$。
试试手自己判
检测题
判断下列说法是否正确,并说明理由: “若直线 $l$ 与平面 $\alpha$ 内的无数条直线都垂直,则 $l \perp \alpha$。”
看答案和判分标准
答案:错误。
判对标准:
1. 判断为“错误”(1分)。
2. 指出反例:若这无数条直线都互相平行(例如平面内所有水平线),直线 $l$ 可能只是垂直于这些平行线,但倾斜于平面(1分)。
3. 强调必须包含“两条相交直线”或“任意直线”才能判定垂直(1分)。
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