8.6.2 直线与平面垂直
人教 A 版 · 本节 6 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 34 题 ↓
原书扫描页(人教 A 版原文)






本节的知识树
3 概念 · 1 定理 · 最深 4 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。
考过本节的真题
共 34 道
- 浙江 2008 · q10斜线段 、 面积为定值, 的轨迹 · 距离定值就是圆柱面,斜截得椭圆经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2008 · q14三条两两垂直的棱都是 ,求外接球的体积 · 补成正方体,体对角线就是直径经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2008 · q18矩形与梯形的两个平面互相垂直,二面角 求 · 先把被钉死的那一块解干净经由 直线与平面垂直
- 浙江 2009 · q05 与侧面所成的角 · 找影子解直角三角形 / 建系用法向量 / 不作角,点面距除以斜线长经由 直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2009 · q17矩形沿 折起求 的范围 · 建系列距离方程 / 三垂线 / 折叠前就定出 经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2009 · q20一个中点撑起三条互相垂直的棱 · 建系算坐标 / 中位线搭平行面与垂面截面 / 不建系的基底向量经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2010 · q06一条线只能定一个方向——一个桌面模型把三项一起否掉经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2010 · q20翻折不改长度——第一折把 钉在空间里,第二折把 逼上中垂面经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2011 · q04「所有直线」四个字露了马脚——交线自己就是反例经由 直线与平面垂直
- 浙江 2011 · q20 平面 一条管到底——第二问的 就是 在 上的垂足经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2012 · q11三条首尾相接、两两垂直的棱——、、 一乘再除以 经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2012 · q20 平面 一句话定全局—— 是 的中垂面,二面角整个躺在里面经由 线面垂直的判定定理
- 浙江 2013 · q10两次投影换个顺序,走出来的点离 一样远 —— 只有两面垂直才做得到经由 直线与平面垂直
- 浙江 2013 · q20一条竖棱把空间劈成两半 · 平行只看 的系数,二面角只看 的影子,经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2014 · q17垂足能走出线段 · 一个函数走到底,或者根本不设函数:最大仰角就是那个二面角经由 直线与平面所成的角
- 浙江 2014 · q20先把顶点 钉在 正上方 · 整个四棱锥的形状一步定死,二面角 经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2015 · q15两个数量积只定住平面里那一半 · 最小的那个距离就是垂线段经由 直线与平面垂直
- 浙江 2015 · q17射影落在 中点 · 建系算法向量再定号,或两个全等直角三角形共一个垂足经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2016 · q02交线躺在两个面里 · 垂线与面内每条线都垂直,一句话定 C经由 直线与平面垂直
- 浙江 2016 · q14先把折起的角度用掉:高最大就是 到 的距离,再对 求最值经由 直线与平面垂直
- 浙江 2016 · q17三棱台里的一条垂线:补形还原成棱锥,等边三角形的中线白送一个直角经由 直线与平面垂直、线面垂直的判定定理
- 浙江 2017 · q19顶点没定死就别写坐标 · 那一条把 推到了 外面,经由 直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2018 · q08正四棱锥里三条空间角 · 经由 直线与平面所成的角
- 浙江 2018 · q19侧棱垂直底面的三棱台 · 垂面与 的线面角经由 直线与平面垂直、直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2019 · q08三个角比大小 · 三条辅助线把它们摆进同一个直角三角形,或沿对称轴建系直接算成两个完全平方经由 直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2019 · q19面面垂直一脚踩出 A₁E⊥底面,线面角缩进过 BC 中点的截面经由 直线与平面垂直、直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2020 · q19三棱台里证线线垂直、求线面角 · 上底面是纸老虎,两问都塌回四面体 D-HBC经由 直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2021 · q06正方体中点连线与面对角线的平行垂直判断 · 中位线定平行,线面垂直定异面垂直经由 线面垂直的判定定理
- 浙江 2021 · q19四棱锥证线线垂直、求线面角 · 判定定理转化 + 建系法向量,或等体积点面距经由 直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2022 · q08正三棱柱里三种空间角比大小 · 一条竖直垂线段把 α、β、γ 摆进同一个框架经由 直线与平面所成的角
- 浙江 2022 · q19双直角梯形折出的立体 · 线面角用法向量,或化成点到平面的距离经由 直线与平面所成的角、线面垂直的判定定理
- 浙江 2024 · q17四棱锥里证线面平行、由二面角反求 AD · 建系算法向量,或三垂线法作平面角经由 线面垂直的判定定理
- 浙江 2025 · q09正三棱柱里的线面关系 · 判定定理凑前提,或建系算点积经由 线面垂直的判定定理
- 浙江 2025 · q17四棱锥的面面垂直、球心与异面直线角 · 建系解方程,或纯几何定位球心经由 线面垂直的判定定理
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。
这一节是立体几何里”垂直”的中枢。§8.6.1 讲了直线与直线的垂直(含异面直线所成的角),下一节 §8.6.3 要讲平面与平面的垂直——而线面垂直正是从线线垂直爬到面面垂直的那一级台阶: 证明面面垂直最终要落到”一条直线垂直于一个平面”,而证明线面垂直又只需要找到”两条相交直线”。 这一节的内容就是给这条链配齐四件工具:定义、判定定理、线面角、性质定理。
一、定义:为什么它说了等于没说
定义:如果直线 与平面 内的任意一条直线都垂直,就说 与 互相垂直, 记作 。 叫平面 的垂线, 叫直线 的垂面,唯一的公共点叫垂足。
- 画图时把直线画成与表示平面的平行四边形的一边垂直(图 8.6-9),这是画法约定,不是定义的一部分。
- “任意一条”四个字是重点也是痛点:要验证”平面内所有直线都与 垂直”在操作上是不可能的—— 平面内的直线有无穷多条。所以这个定义的主要用途是用,不是验:一旦证明了 , 立刻免费得到” 垂直于 内任意一条直线”;反过来要证线面垂直,得靠下面的判定定理。
过一点垂直于已知平面的直线有且只有一条(课本思考题的结论)。它与平面几何里的对应命题 (过一点有且只有一条直线与已知直线垂直)遥相呼应;证明思路是反证:若过一点有两条不同的垂线, 它们会在平面外相交于同一点,再用垂直于同一平面的两条直线平行(第六节的性质定理)推出矛盾。
由它得到第一个距离概念:点到平面的距离 = 过该点作平面的垂线,该点与垂足之间垂线段的长度。 (“垂线段”三个字的意思是:距离是垂线段的长,不是该点连到平面内任一点的最短线段——虽然可以 证明垂线段确实是最短的,课本在这一点上按定义走。)
二、判定定理:两条相交直线,够了
定理 如果一条直线与一个平面内的两条相交直线垂直,那么该直线与此平面垂直。
符号表示:
为什么两条就够了。 由基本事实的推论 2,两条相交直线确定一个平面——平面 完全由 、 张成。 既然垂直于这两条”骨架”,就被钉死在”与 内任何直线都垂直”的方向上 ( 内任意一条直线 都可以用 、 的线性组合”搭”出来,与 的点积被拆成 与 两个零)。这就是课本那句”直线与平面垂直与直线与直线垂直互相转化”的意思。
为什么必须是”相交”。 这是全节最爱考的一问(课本第 158 页的思考题):
- 改成两条平行直线不行。反例:在平面 内取两条平行直线 ,过其中一条 作一个与 斜交的平面 ,在 内作 ——只要 与 不垂直, 就得到 、且 (,异面垂直定义),但 并不垂直于 。 两条平行直线确定不了平面的”朝向”:它们撑不起一个平面的两个方向。
- 改成无数条直线也不行——除非这无数条里藏着一对相交直线(那就是原定理)。“无数条平行直线” 与”两条平行直线”是同一回事,都给不出两个独立方向。直观地说:要钉死一条直线与平面的夹角, 至少要两个不平行的参照物。
三、例 3 的动作:线线垂直互转的样板
例 3(,)的证明只有四步:
- 在 内取两条相交直线 ;
- (定义:垂直于平面即垂直于平面内一切直线);
- (一条直线与两平行线之一垂直,则与另一条也垂直);
- 垂直于 内两条相交直线 ,由判定定理 。
它的关键动作是把要证的线面垂直拆成线线垂直,再用判定定理装回去——这是后续几乎所有线面垂直 证明的模板。课本还追问”你能用定义证明吗”:那需要先说明 与 内任意一条直线都垂直, 做法是把那条直线平移到与 、 同一平面内再套第 3 步——可行,但绕,判定定理的价值正在于 省掉了这个”任意”。
四、线面角:把”斜”量化成度数
平面外一条直线与平面相交,通常不垂直,这叫斜线,交点叫斜足。过斜线上斜足以外一点 向平面作垂线 ( 为垂足),连接 与斜足 , 叫斜线在平面上的射影; 斜线与射影所成的角就是这条直线和这个平面所成的角(站内实体:直线与平面所成的角,别名线面角)。
找线面角永远是三步:作垂线找垂足 → 连射影 → 读角。 、、 三点构成直角三角形(直角 在 ),于是
两个退化情形与取值范围(课本明说):直线垂直于平面时角是 ;直线与平面平行、或 在平面内时角是 。所以 的取值范围是 ——线面角永远不会是钝角。
最小值性质(课本思考题的答案):斜线与平面内任意一条直线所成的角,最小的是它与该平面所成 的角——“最小的那个角”正是线面角这个名字的由来。证明:把平面内那条直线沿射影方向转到位,由 随角增大的单调性比较即得。这条性质后面在”线线角与线面角互化”的题里经常暗中出现。
例 4(正方体 - 中求 与平面 所成的角)是找射影的标准示范: 关键在于找 上某一点到平面的垂足。 点正好落在直线 上,而 平面 (因为 ,且 ,两条相交直线),所以 在平面上的垂足 就是 与平面 的交点 ,射影是 ,所求角是 。在 中 、,故 , 角为 。注意这题找垂足靠的是”发现 恰好垂直于该平面”——先整体判断哪条直线垂直于 目标平面,垂足就是它穿过平面的那一点,比从 凭空作垂线好找得多。
对偶的一条:最大值性质。 上面那条说的是「把平面内的直线绕射影转一圈,线面角最小」。 把角色换一换,还有一条同样有用的:
固定一个过斜足的平面 ,让斜线在 内绕斜足转, 它与 所成的角最大等于 与 的夹角, 等号在斜线垂直于交线 时取到——那条线叫 内的最大斜度线。
两条性质是同一件事的两面:射影会把角压小,而压得最少的方向就是垂直于交线的那个方向。 差别只在「转的是谁」:最小值性质转的是 内的直线(比的是线线角与线面角), 最大值性质转的是 内的直线(比的是线面角与二面角)。
用途也分得很清:最小值性质在「线线角与线面角互化」的题里用;最大值性质在 「动点沿一条直线跑,求线面角的最大值」的题里用——一步把最值问题换成一个定二面角,连函数都不用设。第八节的 2014 年第 17 题就是它唯一的正面考法。
五、性质定理:反证法的教科书现场
定理 垂直于同一个平面的两条直线平行。
这是”线面垂直 线线平行”的方向,与例 3(“线线平行 + 线面垂直 线面垂直”) 互为逆向。课本用反证法证明(观察(2)的完整证明在第 160 页),并点破了为什么必须反证: 直线 、 都垂直于 时,它们不在同一个平面内(否则那个平面同时垂直于 , 不可能),平面内平行直线的判定、基本事实 4 全都用不上——归不了类,就只能假设”不平行”推出矛盾:
假设 与 不平行,。点 与直线 确定一个平面,在其内过 作 ,则 与 是交于 的两条不同直线,确定平面 ;设 , 则 。由 得 ,又 得 ——于是平面 内过直线 上同一点 有两条不同直线 都与 垂直, 这在平面内不可能,矛盾。故 。
这条定理立刻带来一个常用的免费结论:垂直于同一平面的两条直线,要么平行、要么重合——垂直同一平面的两条直线没有”相交”这种位置关系(它们在空间里被”钉”在同一个方向上)。
六、距离的三种递进:点 → 直线 → 平面
- 点到平面的距离:垂线段的长度(第一节已定义)。
- 直线到平面的距离:当直线 时, 上任意一点到 的距离——例 5 证明这个值与点的选取无关:过 上任意两点 、 作垂线 、,由性质定理 ,又 推出 ,于是四边形 是矩形,。这正是性质定理(“垂同平面则平行”)的一个直接应用。
- 两平行平面间的距离:由例 5 再推一步——两平行平面中的一个平面内任意一点到另一个平面的距离 都相等,这个公共值就是两个平行平面间的距离。
棱柱、棱台、棱锥的高,都是这种”距离”:棱柱、棱台的高是两底面间的距离(平行平面间的距离), 棱锥的高是顶点到底面的距离(点到平面的距离)。例 6 推导棱台的体积公式用的就是这个视角:
其中 、 分别是上、下底面面积, 是高。推导:延长各侧棱交于点 ,把棱台补成棱锥 (“补形”),过 作下底面的垂线,交上、下底面于 、。棱台体积 = 大棱锥体积 − 小棱锥体积 = ,而 ,再由相似关系 解出两个高代入化简即得。这道例子的动作是补形加差: 把台体补回棱锥、两个棱锥体积相减;立体几何里求台体体积、截得棱锥的比例问题都这么干。
七、易错清单
按失分频率排:
- 判定定理漏了”相交”。写”,,故 “而不交代 、 相交 ——两条平行直线撑不起平面方向,这个结论推不出来。写成: 先落笔。
- 线面角找错角。射影连错(垂足与斜足之间的线段才是射影),或拿斜线与平面内任意一条直线 的夹角当线面角——线面角是与射影的夹角,而且它是最小的那个。
- 忘了线面角的两个退化情形。线在面内或线面平行时角是 ,不是”没角”;取值范围 两端都要会写。
- 性质定理与平面内命题混用。空间里”垂直于同一条直线的两条直线”不一定平行(可以相交、 可以异面);只有”垂直于同一个平面的两条直线”才必然平行。定理说的是后者,别拿前者冒充。
- 由 推 与 内直线都垂直时忘前提。这条没问题(定义免费给), 容易错的是反方向:由” 与 内某条直线垂直”推""——少一个”两条相交”。
- 点到平面距离找错垂足。垂线必须真的垂直于平面(垂直于面内两条相交直线),只垂直于 面内一条直线不算;斜足和垂足是两个不同的点,别混。
八、这一节考过的真题(怎么用它们)
页面下方”考过本节的真题”是构建期派生的完整清单,逐年在长。给一个读的顺序:
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先做 2021 年第 19 题(四棱锥证线线垂直、求线面角):它是本节工具的标准套餐——第一问用判定 定理证线面垂直,第二问求线面角,与例 4 同一个动作。把”找垂足三步”在上面走一遍,本节就算过手了。
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再看 2022 年第 8 题(正三棱柱里三种空间角比大小)与 2025 年第 9 题(正三棱柱里的线面关系): 小题考判定定理的”相交”条件与线面角的最小性,练的是易错清单第 1、2 条的敏感度。
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插一道不像立体几何的立体几何:2015 年第 15 题(空间单位向量求 )。 它整道题都在算数量积,却是本节定义正向那一半的一次纯粹应用: 减去它在 张成的平面上的投影,剩下那一截垂直于整张平面, 于是它与平面内的 、 数量积都是零——解出 的那两条方程就是这么来的。 “线面垂直 与面内每一条线都垂直”,在向量题里就长这个样子: 用的不是判定定理(那是拿两条相交线去证垂直),而是定义本身拿来用。 本节把这两个方向分得很清,这道题正好各考一次的反面:只考”用”,不考”证”。
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紧接着做 2014 年第 17 题(墙面上的射击线,求仰角 的 最大值)。 它把本节那条 用到了极致,而且三步一步不省: 过 作 ,因为墙面与地面垂直、交线是 ,所以 地面—— 垂足找到了;连 就是射影;,。 妙处在于两条边都只由垂足 在底线上的位置决定,于是整个三维图形一步压成一个一元函数
但这道题真正扣分的地方不在立体几何,在定义域:目标点沿射线 移动, 垂足 会走出线段 到 的外侧, 可以取负。照示意图把范围截短成 , 函数在那一段单调递减,会交出 ——和正确答案 一样干净,错了不会自己露馅。 然后用第四节末尾那条最大值性质再做一遍: 跑遍直线 , 始终在平面 内, 交线是 ,所以最大仰角就是平面 与地面的二面角;三垂线法作出它的平面角 , 两条直角边 、, 一除就是 ,一个字母都不用设。做完这一道回头再读第四节最后那一段, 「最小值 / 最大值」两条性质各自管什么就分清了。
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再插一道判定定理配平行搬运的:2015 年第 17 题(斜三棱柱,证 平面 )。 直接盯着 去找”面内两条相交直线”是走不通的,因为 是顶面上的一条线, 跟平面 只在 处沾一下。正确的第一步是把它换掉: 是 的中点, 又是 沿侧棱平移的像,所以 恰是 中点 沿侧棱平移的像, 是平行四边形,。于是要证的变成 平面 , 而 就在底面里,面内的 、 都好对付:(等腰三角形底边上的中线即高)、 ( 底面),两条相交,判定定理收工。 这正是例 3 那个动作的反向用法:例 3 是”线面垂直 线线垂直”, 这里是”先用平行把待证的线搬到好办的位置,再证线面垂直”。 判定定理的两条相交直线要在平面里找,待证的那条线却可以先平移——这一句值得抄进笔记。
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接着是 2021 年第 6 题(正方体中点连线与面对角线的平行垂直判断):中位线定平行、 线面垂直定异面垂直,是例 3(线线平行与线面垂直互转)的直接应用。
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最后是 2022 年第 19 题、2024 年第 17 题与 2025 年第 17 题:立体几何大题,把线面角 换成”点面距”视角(等体积法),或由面面垂直反推——对应本节"" 那一句:线面角与点面距是同一枚硬币的两面,而面面垂直的证明最终也要落到本节这条判定定理上。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
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本节课本习题共 4 道,即「练习」(第 159、160 页)的 4 道,全收。「习题 8.6」整组印在 §8.6.3 (平面与平面垂直)的页面上(第 169 页起),不在本节的页靶内,逐字引文门引不了,故整组归 §8.6.3 那一节收。本节 4 道均为有唯一解答的证明/填空,没有开放式的实习作业。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
练习(第 159 页)第 1 题
- 如果两条直线和一个平面所成的角相等,那么这两条直线一定平行吗?
不一定。 反例:在平面 内任取两条相交直线 、,它们与平面 所成的角都是 (线在面内),但 与 相交,并不平行。
这句话背后的道理是:线面角只刻画了直线方向与平面方向之间的夹角。两条直线与同一平面所成的角 相等,只说明它们”往平面上的倾角”一样,完全不约束两条直线彼此的方向——它们可以在平面两侧、 可以绕着各自与平面的交点转不同的方向。例外只有一种:两条直线与平面所成的角都是 , 这时两条直线都垂直于该平面,由本节的性质定理(垂直于同一个平面的两条直线平行)它们才必然 平行。所以原命题的反面结论(“一定平行”)对 情形恰好成立、对一般情形不成立, 答案是”不一定”。
练习(第 159 页)第 2 题
- 如图,四棱锥 S-ABCD 的底面是正方形, 平面 ABCD,求证: 平面 SDB.
要证 平面 ,按判定定理,只需在平面 内找到两条相交直线都与 垂直。 图中的两个自然候选是 与 。
第一步:。 底面 是正方形,正方形的两条对角线互相垂直,所以 (这一步用正方形性质,不用立体几何)。
第二步:。 由 平面 及线面垂直的定义——垂直于平面的直线垂直于 平面内任意一条直线——而 平面 ,故 。
第三步:套判定定理。 、 都在平面 内,且二者交于点 (,是 两条相交直线)。于是平面 内有两条相交直线 、 都垂直于 ,由判定定理, 平面 。
自查:判定定理的前提是”两条相交直线”,这里特意交代了 这一条; 漏掉它, 与 各自孤立,定理用不上去。这道题的关键动作: 从判定定理倒着找”平面内的两条相交直线”——一条来自正方形对角线(),一条来自已知的线面 垂直(),两条凑齐就能收官。
练习(第 159 页)第 3 题
- 如图,在直四棱柱 中,当底面四边形 满足什么条件时,?
答案是:底面四边形 的对角线 与 互相垂直(即 )。
理由分三步。
第一步:把 换到地面上来。 棱柱的上、下底面是全等的四边形,且对应边互相平行 ( 与 分别是上、下底面的同一条对角线),所以 。于是 等价于 ——平行的两条直线与同一条直线垂直与否是一致的。
第二步:把 也换到地面上来。 直四棱柱的侧棱垂直于底面,故 平面 , 。把 分解成”竖直分量加地面分量”:从 先回到 (向量 ), 再沿底面对角线从 到 (向量 ),即 ,则
减号后面那一项为 正是因为 。所以 当且仅当 。
第三步:收口。 把两步合起来:,即底面 四边形 的对角线互相垂直。
自查:、 是底面四边形 的两条对角线,题目没有说底面是平行四边形,所以结论 只能写到”对角线互相垂直”为止;若再假设底面是平行四边形,则对角线互相垂直的平行四边形是菱形, 此时可进一步说”底面是菱形”。这道题的关键动作:把异面直线垂直平移成同一平面内两条直线垂直: 把目标降到底面,向量分解把 的竖直流分量甩掉(它与底面内一切直线垂直), 剩下的就是纯平面几何问题。
练习(第 159、160 页)第 4 题
- 过 所在平面 外一点 ,作 ,垂足为 ,连接 .
(1) 若 PA = PB = PC,则点 O 是 的 ____ 心.
(2) 若 PA = PB = PC, ,则点 O 是 AB 边的 ____ 点.
(3) 若 , , , 垂足都为 , 则点 是 的 ____ 心.
这道题的共同前提:,即 是 在平面 上的垂足。于是对 的每个顶点 , 都是直角三角形(直角在 ),。
(1) 外心。 由勾股定理,,,。 若 ,则三式右端相等,故 —— 到 三个顶点的距离 相等,是三角形的外心(到三顶点等距的点是外心,外心是外接圆圆心)。
(2) 中点。 沿用 (1) 的结论: 时 是 的外心。再加条件 :直角三角形的外心在斜边 上,且恰为斜边的中点(直角三角形斜边上的 中线等于斜边一半,反过来,斜边中点到三顶点等距,正是外心)。所以 是 边的中点。
(3) 垂心。 条件改为三组”过 的线线垂直”。逐条推:
- 由 与 : 垂直于平面 内两条相交直线 、(交于 ), 由判定定理 平面 ,于是 (线面垂直定义)。
- 又 ,,故 。
- 现在 垂直于平面 内的两条相交直线 、(二者交于 ),由判定定理 平面 ,于是 —— 是 边上的高, 在边 的高上。
- 同理轮换:由 、 推出 平面 ,从而 ; 与 合起来得 平面 ,故 —— 是 边上的高。
两条高 ( 边上的高)与 ( 边上的高)交于 ,三条高交于一点即垂心,所以 是 的垂心。
自查:(3) 的每一步都在用”线面垂直 线线垂直”和判定定理来回转化,中间每一步都 交代了”两条相交直线”是谁(、),这是判定定理能用的前提; 只证一条高()不够,必须再证另一条()才敢说 是垂心。 这道题的关键动作:把过一点的三条两两垂直的线翻译成每一条都垂直于另两条张成的平面,再让垂足 从公共垂线 里借垂——垂心的两条高就这么长出来了。
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8.6.2 直线与平面垂直
在日常生活中,我们对直线与平面垂直有很多感性认识。比如,旗杆与地面的位置关系(图8.6-7),教室里相邻墙面的交线与地面的位置关系等,都给我们以直线与平面垂直的形象。

观察
如图 8.6-8,在阳光下观察直立于地面的旗杆 AB 及它在地面的影子 BC。随着时间的变化,影子 BC 的位置在不断地变化,旗杆所在直线 AB 与其影子 BC 所在直线是否保持垂直?

事实上,随着时间的变化,尽管影子 BC 的位置在不断地变化,但是旗杆 AB 所在直线始终与影子 BC 所在直线垂直。也就是说,旗杆 AB 所在直线与地面上任意一条过点 B 的直线垂直。对于地面上不过点 B 的任意一条直线 ,总能在地面上找到过点 B 的一条直线与之平行,根据异面直线垂直的定义,可知旗杆 AB 所在直线与直线 也垂直。因此,旗杆 AB 所在直线与地面上任意一条直线都垂直。
一般地,如果直线 与平面 内的任意一条直线都垂直,我们就说直线 与平面 互相垂直,记作 。直线 叫做平面 的垂线,平面 叫做直线 的垂面。直线与平面垂直时,它们唯一的公共点 叫做垂足。
画直线与平面垂直时,通常把直线画成与表示平面的平行四边形的一边垂直,如图 8.6-9 所示.

思考
在同一平面内,过一点有且只有一条直线与已知直线垂直。将这一结论推广到空间,过一点垂直于已知平面的直线有几条?为什么?
可以发现,过一点垂直于已知平面的直线有且只有一条.
过一点作垂直于已知平面的直线,则该点与垂足间的线段,叫做这个点到该平面的垂线段,垂线段的长度叫做这个点到该平面的距离.
下面我们来研究直线与平面垂直的判定,即探究直线与平面垂直的充分条件.
根据定义可以进行判断,但无法验证一条直线与一个平面内的所有直线都垂直.那么,有没有可行的方法?
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在棱锥的体积公式中,棱锥的高就是棱锥的顶点到底面的距离.
探究
如图 8.6-10,准备一块三角形的纸片 ABC,过 的顶点 A 翻折纸片,得到折痕 AD,将翻折后的纸片竖起放置在桌面上(BD,DC 与桌面接触).
(1) 折痕 与桌面垂直吗?
(2) 如何翻折才能使折痕 AD 与桌面垂直?为什么?

容易发现,AD 所在直线与桌面所在平面 垂直(图 8.6-11)的充要条件是折痕 AD 是 BC 边上的高。这时,由于翻折之后垂直关系不变,所以直线 AD 与平面 内的两条相交直线 BD,DC 都垂直。

事实上,由基本事实的推论2,平面 可以看作由两条相交直线 , 所唯一确定的,所以当直线 垂直于这两条相交直线时,就能保证直线 与 内所有直线都垂直.
一般地,我们有如下判定直线与平面垂直的定理.
定理 如果一条直线与一个平面内的两条相交直线垂直,那么该直线与此平面垂直.
它可以用符号表示为:
• •
定理体现了“直线与平面垂直”和“直线与直线垂直”的互相转化.
思考
两条相交直线可以确定一个平面,两条平行直线也可以确定一个平面,那么定理中的“两条相交直线”可以改为“两条平行直线”吗?你能从向量的角度解释原因吗?如果改为“无数条直线”呢?
例3 求证:如果两条平行直线中的一条直线垂直于一个平面,那么另一条直线也垂直于这个平面.
已知:如图8.6-12, , ,求证
分析:要证明直线 ,根据直线与平面垂直的判定定理可知,只需证明直线 垂直于平面 内的两条相交直线即可.


证明:如图8.6-13,在平面 内取两条相交直线 .
直线 ,
.
,
.
又 是两条相交直线,
.
你能用直线与平面垂直的定义证明这个结论吗?
如图 8.6-14,一条直线 l 与一个平面 相交,但不与这个平面垂直,这条直线叫做这个平面的斜线,斜线和平面的交点 A 叫做斜足.过斜线上斜足以外的一点 P 向平面 引垂线 PO,过垂足 O 和斜足 A 的直线 AO 叫做斜线在这个平面上的射影.平面的一条斜线和它在平面上的射影所成的角,叫做这条直线和这个平面所成的角. 如果 AB 是平面 内

如果 是平面 内的任意一条不与直线 重合的直线,那么直线 与直线 所成的角和直线 与这个平面所成的角的大小关系是什么?
一条直线垂直于平面,我们说它们所成的角是 ;一条直线和平面平行,或在平面内,我们说它们所成的角是 。直线与平面所成的角 的取值范围是 。
例 4 如图 8.6-15,在正方体 中,求直线 和平面 所成的角.
分析:关键是找出直线 在平面 上的射影.
解:连接 , 与 相交于点 ,连接 。设正方体的棱长为 。

∴ 平面 .
图8.6-15
又
∴ 平面 .
∴ 为斜线 在平面 上的射影, 为 和平面 所成的角.
在 Rt△A₁BO 中, , ,
∴ 直线 和平面 所成的角为 .
练习
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如果两条直线和一个平面所成的角相等,那么这两条直线一定平行吗?
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如图,四棱锥 S-ABCD 的底面是正方形, 平面 ABCD,求证: 平面 SDB.


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如图,在直四棱柱 中,当底面四边形 满足什么条件时,?
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过 所在平面 外一点 ,作 ,垂足为 ,连接 .
(1) 若 PA = PB = PC,则点 O 是 的 ____ 心.
(2) 若 PA = PB = PC, ,则点 O 是 AB 边的 ____ 点.
(3) 若 , , , 垂足都为 , 则点 是 的 ____ 心.
下面我们研究直线与平面垂直的性质,即探究在直线 与平面 垂直的条件下能推出哪些结论.
根据已有经验,我们可以探究直线 与平面 内的直线的关系。但由定义, 与 内的所有直线都垂直。所以,可以探究 与其他直线或平面的关系。
我们知道,在平面内,垂直于同一条直线的两条直线平行。在空间中是否有类似的性质呢?
观察
(1)如图8.6-16,在长方体 中,棱 ,,, 所在直线都垂直于平面 ,它们之间具有什么位置关系?


(2)如图8.6-17,已知直线 , 和平面 。如果 , ,那么直线 , 一定平行吗?
可以发现,这些直线相互平行。不失一般性,我们以(2)为例加以证明。如图8.6-18,假设 与 不平行,且 。显然点 不在直线 上,所以点 与直线 可确定一个平面,在该平面内过点 作直线 ,则直线 与 是相交于点 的两条不同直线,所以直线 与 可确定平面 ,设 ,则 。因为 ,所以 。又因为 ,所以 。这样在平面 内,经过直线 上同一点 就有两条直线 与 垂直,显然不可能。因此 。

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由于无法把两条直线 归入到一个平面内,所以在定理的证明中,无法应用平行直线的判定知识,也无法应用基本事实4. 在这种情况下我们采用了“反证法”.
这样,我们得到了直线与平面垂直的一条性质定理:
定理 垂直于同一个平面的两条直线平行.
直线与平面垂直的性质定理告诉我们,可以由两条直线与一个平面垂直判定这两条直线互相平行.直线与平面垂直的性质定理揭示了“平行”与“垂直”之间的内在联系.
在 的条件下,如果平面 外的直线 与直线 垂直,你能得到什么结论?如果平面 与平面 平行,你又能得到什么结论?
你还能自己提出更多的问题,发现更多的结论吗?
例5 如图8.6-19,直线 平行于平面 ,求证:直线 上各点到平面 的距离相等.
证明:过直线 上任意两点 分别作平面 的垂线 ,垂足分别为 .

图8.6-19
设直线 , 确定的平面为 ,
∴ 四边形 是矩形.
由 A, B 是直线 l 上任取的两点,可知直线 l 上各点到平面 的距离相等.
一条直线与一个平面平行时,这条直线上任意一点到这个平面的距离,叫做这条直线到这个平面的距离。由例5我们还可以进一步得出,如果两个平面平行,那么其中一个平面内的任意一点到另一个平面的距离都相等,我们把它叫做这两个平行平面间的距离。
• •
在棱柱、棱台的体积公式中,它们的高就是它们的底面间的距离.
例 6 推导棱台的体积公式
其中 ,S 分别是棱台的上、下底面面积,h 是高.
解:如图8.6-20,延长棱台各侧棱交于点 ,得到截得棱台的棱锥.过点 作棱台的下底面的垂线,分别与棱台的上、下底面交于点 , ,则 垂直于棱台的上底面(想一想,为什么?),从而
