8.6 空间直线、平面的垂直
人教 A 版 · 本节 3 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓
原书扫描页(人教 A 版原文)



考过本节的真题
没有考过本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
这一节(第 153—155 页)是「垂直」这一大节的开场,正题只有一件事: 给两条异面直线之间的「倾斜程度」定出一个数。定出来之后,「垂直」才有了在空间里的说法——而且这个说法会和平面几何里 的直觉不太一样。
一、为什么非要定义这个角
课本开头那张正方体图(图 8.6-1)问得很准:直线 与 异面,直线 与 也异面, 两个「异面」是同一种关系吗? 位置关系的分类只能回答「是不是异面」,答不了「歪得一样吗」。 平面几何里两条相交直线可以用夹角比较倾斜程度,空间里两条异面直线连交点都没有,怎么比?
办法是把它们搬到一起:反正「方向」这件事跟直线画在哪儿无关,那就把两条直线各自平移到同一点, 量平移后那两条相交直线的夹角。这一步是整章反复出现的招数——空间问题化成平面问题。
二、定义:三步照做
任取空间一点 ,过 作 、,则 与 所成的角 叫做异面直线 与 所成的角(或夹角)。
三步:取点 → 作两条平行线 → 量夹角。配套的三条约定要一起记住:
- 取「不大于 」的那个角。 两条相交直线形成四个角、两两相等,规定取 的那一个。所以算出钝角就换它的补角。
- 两条直线平行时,规定所成角为 。 于是空间两条直线所成角 的范围是 ;而异面直线不可能平行,所成角的范围是 (不含 ,含 )。
- 所成角是 就说这两条直线互相垂直,记作 。
课本那句「与点 的位置有关吗」是这个定义的合法性问题,不是闲笔。 换一个点 ,作出的 、 与原来的 、 分别平行,由上一节的等角定理 (空间中两个角的两边分别对应平行,则这两个角相等或互补),新旧两个角相等或互补;而约定 ② 只取 的那一个,互补的一对里被选中的是同一个数。所以这个角与 的选法无关,定义站得住。
三、空间里的「垂直」比平面里宽
这是本节最容易被忽略、也最容易在判断题上丢分的一条:
| 平面几何里的「」 | 空间里的「」 | |
|---|---|---|
| 要不要相交 | 要,垂足是交点 | 不要,异面也能垂直 |
| 怎么判定 | 交角 | 所成角 (可能得先平移) |
于是正方体里 与 是异面的,但它们所成的角是 ,照定义就该写 。「垂直」不再蕴含「有交点」,这一条在后面证线面垂直时会不断用到 (判定定理要的是「与平面内两条相交直线垂直」,那两条并不要求过同一个垂足)。
反过来,平面几何里成立的一条常用推理在空间里失效:
- 「垂直于同一条直线的两条直线平行」——空间里不对。正方体里 、 ,可 与 相交;、,可 与 异面。垂直于同一条直线的两条直线,在空间里可以平行、相交、异面三种都行。
- 而「两条平行直线中的一条垂直于已知直线,另一条也垂直于它」仍然成立——因为平行的两条 直线与第三条直线所成的角相等(还是等角定理那一条)。
这两条正是本节 练习 第 1 题的两个小问,课本把它们排在最前面就是要立刻把这个差别钉住。
四、实操:把「取点」这一步省掉
定义里的 是任取的,那就取在其中一条直线上(课本第 155 页图 8.6-6 说的就是这件事): 取 ,只需过 作 , 与 的夹角就是所求。 这样只作一条平行线,少一半工作量。
于是求异面直线 、 所成角的固定动作是三步:
- 搬:在其中一条上(通常取端点或中点这种「现成的点」)作另一条的平行线,把两条直线搬到相交;
- 认:指出搬完之后哪个角是所求的角,并说明它 (或算完再取补角);
- 算:把这个角放进一个三角形里解出来。
第 1 步的平行线从哪儿来?本章只有三种来源,够用了:
| 搬线的工具 | 什么时候用 | 例子 |
|---|---|---|
| 现成的平行棱 | 正方体、长方体、棱柱里到处都是 | 例 1(2):,把 搬成 |
| 平行四边形的对边 | 要搬的是面对角线 | 例 1(3): 是平行四边形, |
| 三角形的中位线 | 题里给了中点 | 练习 第 4 题:取 中点,中位线平行于 |
第 3 步的三角形怎么解?本节只需要三样工具:特殊三角形的现成角(等边 、 等腰直角 )、勾股定理与它的逆定理、余弦定理。
五、课本两道例题,重讲一遍
例 1(3):正方体里 与 所成的角。 搬 : 是平行四边形( 且相等),所以 , 就是所求。关键在下一步:连 , 、、 都是正方体的面对角线,三条一样长, 是等边三角形, 于是 。
这道题的价值是「答案不用算」:把角放进一个等边三角形, 是白送的。正方体里 「三条面对角线围成等边三角形」是个该背下来的图形——事实上正方体的 条面对角线只有 个 方向,任取两个不平行的方向,所成角只可能是 或 (同一个面上的两条给 ,相邻两面上的给 )。所以这类问题算之前先猜这两个数,往往一猜就中。
例 2:正方体里 是上底面中心,证 。 课本的分析写得直白: 要证垂直,就去构造那个角,再证它是直角。 搬 : 是平行四边形, ,于是所求角就是 与 所成的角。而 (都是面对角线)使 等腰, 是 的中点, 等腰三角形底边上的中线就是高,所以 ,从而 。
注意最后一步的落点: 与 根本不相交(一条在体内、一条在底面), 但按本节的定义,所成角是 就叫垂直——这正是第三节那张对照表的用处。
六、易错清单(按丢分频率排)
- 搬完忘了取 的那个角。 用向量或坐标算的时候尤其容易:算出来的余弦是负数, 说明取到了补角,得取绝对值。这一条会一直用到选择性必修第一册的向量法。
- 把「垂直」读成「相交且垂直」。
练习第 2 题的 (1)(2) 就是拿这个差别出题:与 垂直的直线有 条,其中异面且垂直的只有 条——两个问的差就是「相交的那 4 条」。 - 把平面几何的「垂直于同一直线则平行」搬进空间。 见第三节。空间里这句话是错的。
- 平行线搬得不严谨。 「看图觉得平行」不算理由,要给出平行四边形、中位线或平行棱这类依据。 证明题里这一步不写,扣的就是这一分。
- 只答了角、没答问的是哪个角。 「直线 和 所成的角」问的是异面直线所成角, 答案要落在 里;写成 一定错。
- 本节还没有「线面垂直」可用。
练习第 4 题(正三棱柱里证 )用「 平面 」两行就能做完,但线面垂直的判定定理在下一节(§8.6.2)才出现。 在本节的位置上,要用「搬 + 勾股逆定理」这套只依赖定义的做法(详见本节的习题详解)。
七、这一节在整章里的位置,以及往后怎么用
- 往前:异面直线的定义、平行公理与等角定理在 §8.4;本节把「异面」从一个分类升级为一个可比的数。
- 往后:§8.6.2 用「直线与平面内任意直线都垂直」定义线面垂直——那个定义里的「垂直」用的就是 本节这个(不要求相交)的垂直;§8.6.3 讲二面角。三种空间角(异面直线角、线面角、二面角)到那时 就配齐了。
- 再往后:选择性必修第一册用空间向量重算这三种角,本节的「搬线」变成「点乘取绝对值」。 手工搬线的经验不会浪费——向量法里最容易错的仍然是「取绝对值」与「钝锐判断」, 而那正是本节约定 ① 的延伸。
真题读法。 页面下方那份「考过本节的真题」是派生的、完整的;这里只给一个读的顺序:
- 先读 2021 年第 6 题(正方体里点连线与面对角线的平行、垂直判断)——它就是本节三步动作的 直接练习,搬线的工具全是中位线与现成平行棱。
- 再读 2022 年第 8 题(正三棱柱里三种空间角比大小)——异面直线角与后两种角摆在一起比, 能看清「三种角各自的找法」这件事有多要紧。
- 最后读 2019 年第 8 题(正三棱锥里 、、 比大小)——本节的 出现在一个动点里,且必须对所有位置成立。这道题是本节内容在浙江卷里的上限: 搬线()之后还要把三个角摆进同一个直角三角形去比。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
这一节(第 153—155 页)印着一组 练习,共 4 道,逐题全做。本节没有 习题8.6——
整章的 习题8.6 印在 §8.6.3 的页面上(第 168—169 页),按「题落在印它那几页所在的那一份里」,
那一组归 §8.6.3 那一份收。本节也没有开放式的实习作业。
四道题分工很清楚:第 1 题考空间与平面的差别(平行传递垂直是对的,垂直于同一直线却推不出平行); 第 2 题在长方体的 12 条棱里数 垂直的棱与异面且垂直的棱,练的正是「空间的垂直不要求相交」; 第 3 题是求角的标准三步(搬线 → 认角 → 解三角形);第 4 题是证垂直,而且要在本节的工具 范围内证——线面垂直的判定定理在下一节(§8.6.2)才出现,所以这里只用「搬线 + 勾股定理的逆定理」。
练习(第 155 页)第 1 题
- 判断下列命题是否正确,正确的在括号内画“√”,错误的画“×”.
(1)如果两条平行直线中的一条与已知直线垂直,那么另一条也与已知直线垂直. ()
(2) 垂直于同一条直线的两条直线平行. ()
(1) √。 设 ,已知直线为 ,且 。按本节的定义, 与 所成的角要这样量:取一点 ,过 作 、,量 与 的夹角。由 得 也成立,也就是说: 同一对相交直线 、,既是 与 的代表,也是 与 的代表——两个「所成角」量的是同一个角,故相等。 于是 与 所成的角也是 ,即 。
(用等角定理说也是一样: 与 所成角的两边分别平行于 与 所成角的两边, 所以两角相等或互补; 的补角还是 ,两种情形都给 。)
(2) ×。 反例在正方体(或长方体)- 里现成有三种:以 为「同一条直线」,
- 且 ,而 与 相交于 ;
- 且 ,而 与 异面;
- 且 ,而 才是平行。
所以「垂直于同一条直线的两条直线」在空间里可以平行、相交、异面,三种都可能,命题不成立。 (在平面内这条命题是对的——它靠的是「同一平面内」这个前提,正是空间里被去掉的那一条。)
自检:两小问的差别不在「垂直」,在传递的方向。(1) 传的是「平行 角相等」, 这条在空间里仍成立;(2) 想传的是「角相等 平行」,那本来就不成立(角只管方向的夹角, 定不了两条直线共不共面)。
这道题的关键动作:凡是把平面几何的命题搬进空间,先问「原来那条证明用没用到『在同一平面内』」 ——用到了,就得在空间里重新找反例。
练习(第 155 页)第 2 题
- 如图,在长方体 的各条棱所在直线中,
(1) 与直线 AB 垂直的直线有 ____ 条;
(2) 与直线 AB 异面且垂直的直线有 ____ 条;
(3) 与直线 和 都垂直的直线有 ____ 条;
(4) 与直线 和 都垂直且相交的直线是直线 ____.
先把 12 条棱按方向分成三组。 长方体的棱两两之间只有三个方向,同组的互相平行、不同组的互相垂直:
| 方向 | 棱所在直线(各 4 条) |
|---|---|
| 与 同向 | 、、、 |
| 与 同向 | 、、、 |
| 竖直(与 同向) | 、、、 |
同组的两条平行(所成角 ,不垂直);不同组的两条,所成角是 (长方体三个方向 两两垂直),按本节的定义就是垂直,不管它们相不相交。
(1) 与直线 垂直的直线有 条。 与 不同组的就是后两组,共 条: 、、、、、、、。(同组的 、、 与 平行,不算。)
(2) 与直线 异面且垂直的直线有 条。 在上面 条里挑出与 没有公共点的。 与 相交的有 条:、(都过 ),、(都过 )。剩下的 条 、、、 与 既不平行也不相交,是异面,且垂直。
(3) 与直线 和 都垂直的直线有 条。 属于「与 同向」那一组。 一条棱所在直线要同时垂直于 方向与 方向,就只能落在第三组(竖直方向): 、、、,共 条。
(4) 与直线 和 都垂直且相交的直线是直线 。 在 (3) 那 条里再要求 与两条都有公共点: 与 交于 、与 交于 ✓; 只交 于 , 与 异面 ✗; 只交 于 ,与 异面 ✗; 与两条都异面 ✗。 故答案是直线 。
自检:(1) 的 条 (2) 的异面 条 相交的 条,账对得上; (3) 的 条里恰有 条同时与两者相交,正是 (4)。四问是层层加条件,数目只减不增: 、。
这道题的关键动作:先按方向把棱分成三组,再逐层加条件(垂直 异面 相交)。 数棱不要一条条比,那样必漏;也不要把「垂直」限制成「相交垂直」——(1) 若只数相交的就只有 条, 那正是本题设计要拦住的错法。
练习(第 155 页)第 3 题
- 如图,在长方体 中,,,求:
(1) 直线 BC 和 所成的角的大小;
(2) 直线 和 所成的角的大小.
(1) 。
- 搬线: 与 是长方体一个侧面 的一组对边,。 于是 与 所成的角 与 所成的角 (这两条在上底面里相交于 )。
- 认角: 是上底面矩形 里对角线 与边 的夹角, 它落在 里,是锐角,所以就是所求的角。
- 算:上底面的两条邻边 、 相等,上底面是正方形; ,故 是等腰直角三角形, 得 。
所以直线 与 所成的角是 。(, 不必取补角。)
(2) 。
- 搬线:(长方体侧面 的一组对边)。于是 与 所成的角 与 所成的角 (两条交于 )。
- 认角: 在 里。(矩形 的邻边), 所以这个三角形在 处是直角, 是锐角,正是所求。
- 算:,, 得 。
所以直线 与 所成的角是 。
自检:把两个结果放回图里看合不合理。(1) 上底面是正方形,对角线当然与边成 ✓。 (2) 侧面 是长为 、宽为 的矩形(长是宽的 倍), 它的对角线 与短边 的夹角满足 ,正是 ;顺便 , 是 的直角三角形,即 -- ✓。
这道题的关键动作:搬线时优先找「与所求直线共面的那条平行棱」——(1) 把 搬到上底面 (因为 在上底面),(2) 把 搬到 (因为 过 )。搬到与另一条共面, 角就自动落进一个现成的三角形里,不用再补线。
练习(第 155 页)第 4 题
- 如图,在正三棱柱 中, 为棱 的中点,,求证 .
先说明这一步只用本节的工具。 「 平面 ,所以 」是最快的写法, 但线面垂直的判定定理属于下一节(§8.6.2)。在本节的位置上,证垂直的唯一手段是 照定义把角构造出来,再证它是 (课本例 2 的分析写的就是这句)。下面这样做。
证明。 取侧棱 的中点 ,连接 、。
① 搬线:。 在 中, 是 的中点、 是 的中点, 所以 是这个三角形的中位线,。于是
② 三条边逐个算出来。 正三棱柱的底面 是正三角形、侧棱垂直于底面, 且 ,故底面边长 ,侧棱 ,从而 、 。
- : 是边长 的正三角形, 是 的中点,所以 是它的中线, 也是高:
- : 底面 (正三棱柱是直棱柱),而 在底面内,所以 , 在 处是直角: (与 ① 对得上:, 作为中位线正是它的一半 ✓。)
- :同理 ( 也在底面内), 在 处是直角:
③ 勾股定理的逆定理收口。 在 中,
所以 在 处是直角,即 。
④ 回到定义。 由 ①, 与 所成的角就是 ,按本节「所成角为直角 即互相垂直」的规定,
( 在底面内、 是侧面的对角线,两条并不相交——这正是空间里「垂直不要求相交」的一例。)
自检(换一条路核一次):以 为原点,、、竖直方向为三条坐标轴(, 底面),则 、、、、 。于是 、, 点积 ,两条直线的方向垂直,与上面的结论一致 ✓。 (坐标法属于选择性必修第一册,这里只当验算。)
这道题的关键动作:中点给的是中位线,中位线就是搬线的工具;搬完之后, 三条边一算、勾股逆定理一用,垂直就证完了——全程只用到「正三棱柱的侧棱垂直于底面」 与勾股定理,没有借用下一节的判定定理。
(把话说严格些:「侧棱垂直于底面」这句是 §8.1 给直棱柱的定义带来的;而把它用成 「侧棱垂直于底面内的每一条直线」,正是 §8.6.2 给「直线与平面垂直」下的定义。所以本题用到了 下一节的那个定义,没有用到它的判定定理——判定定理是反过来的方向:由「与面内两条相交 直线垂直」推出「与整个平面垂直」,那才是本题在本节位置上该避开的东西。)
顺带一个不依赖数据的观察:把边长记作 、侧棱记作 ,同样的三条边给 , 恒成立。也就是说 与 这个条件无关——题目给 只是为了让 读者能算出具体的数。
原书转写(OCR,供核对)
共 3 页· 默认折起
机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。
8.6 空间直线、平面的垂直
与平行关系类似,垂直也是空间直线、平面之间的一种特殊位置关系,它在研究空间图形问题中具有重要的作用。类比平行关系的研究过程,本节将研究空间直线、平面之间的垂直关系,重点研究这些垂直关系的判定和性质。
8.6.1 直线与直线垂直
空间两条直线的位置关系有三种:平行直线、相交直线和异面直线。在初中我们已经研究了平行直线和相交直线。本节我们主要研究异面直线,首先研究如何刻画两条异面直线的位置关系。
观察
如图8.6-1,在正方体 中,直线 与直线 ,直线 与直线 都是异面直线,直线 与 相对于直线 的位置相同吗?如果不同,如何表示这种差异呢?

我们知道,平面内两条直线相交形成4个角,其中不大于 的角称为这两条直线所成的角(或夹角),它刻画了一条直线相对于另一条直线倾斜的程度。类似地,我们也可以用“异面直线所成的角”来刻画两条异面直线的位置关系。
如图 8.6-2,已知两条异面直线 a,b,经过空间任一点

。
研究异面直线所成的角,就是通过平移把异面直线转化为相交直线。这是研究空间图形的一种基本思路,即把空间图形问题转化为平面图形问题。
O 分别作直线 , ,我们把直线 与 所成的角叫做异面直线 a 与 b 所成的角(或夹角).
如果两条异面直线所成的角是直角,那么我们就说这两条异面直线互相垂直.直线 a 与直线 b 垂直,记作 .
?
当两条直线 , 相互平行时,我们规定它们所成的角为 。所以空间两条直线所成角 的取值范围是 。
直线 a, b 所成角的大小与点 O 的位置有关吗?
例 1 如图 8.6-3,已知正方体 .
(1) 哪些棱所在的直线与直线 垂直?
(2) 求直线 与 所成的角的大小.
(3) 求直线 与 AC 所成的角的大小.

解:(1)棱 , , , , , , , 所在直线分别与直线 垂直.
图8.6-3
(2) 因为 是正方体,所以 ,因此 为直线 与 所成的角。又因为 ,所以直线 与 所成的角等于 。
(3)如图8.6-4,连接 ,因为ABCD- 是正方体,所以 ,从而四边形 是平行四边形,所以 ,于是 为异面直线 与 所成的角.
连接 ,易知 是等边三角形,所以 。从而异面直线 与 所成的角等于 。

例 2 如图 8.6-5(1),在正方体 中, 为底面 的中心。求证 。
分析:要证明 ,应先构造直线 与 所成的角,若能证明这个角是直角,即得 .


证明:如图 8.6-5(2),连接 .
∵ 是正方体,
.
∴ 四边形 是平行四边形.
∴ 直线 与 所成的角即为直线 与 BD 所成的角.
连接 , ,易证 .
又 为底面 的中心,
∴ 为 的中点,

从例 1 与例 2 的解答可以看到,为了简便,求异面直线 a,b 所成的角时,点 O 常取在两条异面直线中的一条上.例如取在直线 b 上,然后经过点 O 作直线 ,那么 与 b 所成的角就是异面直线 a 与 b 所成的角(图 8.6-6).
图8.6-6
练习
- 判断下列命题是否正确,正确的在括号内画“√”,错误的画“×”.
(1)如果两条平行直线中的一条与已知直线垂直,那么另一条也与已知直线垂直. ()
(2) 垂直于同一条直线的两条直线平行. ()
- 如图,在长方体 的各条棱所在直线中,
(1) 与直线 AB 垂直的直线有 ____ 条;
(2) 与直线 AB 异面且垂直的直线有 ____ 条;
(3) 与直线 和 都垂直的直线有 ____ 条;
(4) 与直线 和 都垂直且相交的直线是直线 ____.


- 如图,在长方体 中,,,求:
(1) 直线 BC 和 所成的角的大小;
(2) 直线 和 所成的角的大小.

- 如图,在正三棱柱 中, 为棱 的中点,,求证 .
(第4题)