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二、证明线面垂直的方法

空间中点、线、面的位置关系 · 高一
讲清楚它是什么

定义 直线垂直于平面内任意一条直线,则称该直线垂直于该平面。

从哪来 本知识点为高一立体几何起点,无前置依赖,直接基于空间直线与平面的位置关系公理体系构建。

为什么 线面垂直是空间垂直关系的“枢纽”。若只要求直线垂直于平面内一条线,直线可能在平面内倾斜(如墙角线只垂直于地面一条线,却斜插在地面上);只有垂直于平面内所有直线,才能唯一确定直线“竖直”穿过平面。判定定理将其转化为“垂直于平面内两条相交直线”,是因为这两条相交直线张成了平面的方向基底,垂直于基底即垂直于整个平面。

直观模型法
用教鞭(直线)和桌面(平面)。先让教鞭斜放,只垂直桌面一条线,学生发现教鞭可绕该线转动;再让教鞭同时垂直桌面两条相交线(如桌边和桌角连线),教鞭位置被唯一锁定为竖直。适合形象思维强、抽象推理弱的学生。
向量基底法
设平面内两条相交直线方向向量为 $\vec{a}, \vec{b}$,它们线性无关,构成平面方向基底。若直线方向向量 $\vec{v}$ 满足 $\vec{v} \cdot \vec{a} = 0$ 且 $\vec{v} \cdot \vec{b} = 0$,则 $\vec{v}$ 垂直于平面内任意向量 $\vec{u} = x\vec{a} + y\vec{b}$,即 $\vec{v} \cdot \vec{u} = 0$。适合代数基础好、喜欢逻辑推导的学生。
反证逻辑法
假设直线 $l$ 垂直平面内两条相交线 $a, b$,但不垂直平面内某条线 $c$。则 $l$ 与 $c$ 构成一个平面,该平面与已知平面交于过 $c$ 的某线,导致 $l$ 在交线上有投影,与 $l \perp a, l \perp b$ 矛盾。适合逻辑严密、喜欢质疑本质的学生。
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练一道
基础题
正方体 $ABCD-A_1B_1C_1D_1$ 中,证明 $AA_1 \perp$ 平面 $ABCD$。
变式
在四面体 $S-ABC$ 中,$SA \perp$ 平面 $ABC$,$AB \perp BC$。证明 $BC \perp$ 平面 $SAB$。
试试手自己判
检测题
在四棱锥 $P-ABCD$ 中,底面 $ABCD$ 为矩形,$PA \perp$ 平面 $ABCD$。判断:直线 $PC$ 是否垂直于平面 $ABD$?若垂直,请证明;若不垂直,请说明理由。
看答案和判分标准
答案:不垂直。
判对标准:
1. 明确回答“不垂直”(1分)。
2. 指出 $PC$ 与 $AB$ 不垂直(因 $PA \perp AB$,$AB \perp AD$,但 $PC$ 在平面 $PAB$ 上的投影为 $PA$,$PC$ 与 $AB$ 夹角非90°,除非 $AD=0$)(2分)。
3. 或指出 $PC$ 与 $BD$ 不垂直(需计算或几何论证,如取特殊值 $PA=AB=AD=1$,则 $\vec{PC}=(1,-1,-1)$,$\vec{BD}=(-1,1,0)$,点积 $=0$?错,$\vec{PC} \cdot \vec{BD} = -1 -1 +0 = -2 \neq 0$)(2分)。
4. 结论:因 $PC$ 不垂直于平面 $ABD$ 内直线 $AB$(或 $BD$),故不垂直于平面(1分)。
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