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立体几何典型例题

来源:划驼旅游
【知识要点】

1.空间直线和平面的位置关系:(1)空间两条直线:

①有公共点:相交,记作:a∩b=A,其中特殊位置关系:两直线垂直相交.

②无公共点:平行或异面.平行,记作:a∥b.

异面中特殊位置关系:异面垂直.(2)空间直线与平面:

①有公共点:直线在平面内或直线与平面相交.直线在平面内,记作:aα .

直线与平面相交,记作:a∩α =A,其中特殊位置关系:直线与平面垂直相交.

②无公共点:直线与平面平行,记作:a∥α .(3)空间两个平面:

①有公共点:相交,记作:α ∩β =l,其中特殊位置关系:两平面垂直相交.

②无公共点:平行,记作:α ∥β .2.空间作为推理依据的公理和定理:(1)四个公理与等角定理:

公理1:如果一条直线上的两点在一个平面内,那么这条直线上所有的点都在此平面内.

公理2:过不在一条直线上的三点,有且只有一个平面.

公理3:如果两个不重合的平面有一个公共点,那么它们有且只有一条过该点的公共直线.

公理4:平行于同一条直线的两条直线互相平行.

定理:空间中如果一个角的两边与另一个角的两边分别平行,那么这两个角相等或互补.

(2)空间中线面平行、垂直的性质与判定定理:①判定定理:

如果平面外一条直线与此平面内的一条直线平行,那么该直线与此平面平行.

如果一个平面内的两条相交直线与另一个平面都平行,那么这两个平面平行.

如果一条直线与一个平面内的两条相交直线都垂直,那么该直线与此平面垂直.

如果一个平面经过另一个平面的一条垂线,那么这两个平面互相垂

直.

②性质定理:

如果一条直线与一个平面平行,那么经过该直线的任一个平面与此平面的交线与该直线平行.

如果两个平行平面同时和第三个平面相交,那么它们的交线相互平行.垂直于同一个平面的两条直线平行.

如果两个平面垂直,那么一个平面内垂直于它们交线的直线与另一个平面垂直.【例题分析】

例2 在四棱锥P-ABCD中,底面ABCD是平行四边形,M,N分别是AB,PC的中点,求证:MN∥平面PAD.

【分析】要证明“线面平行”,可通过“线线平行”或“面面平行”进行转化;题目中出现了中点的条件,因此可考虑构造(添加)中位线辅助证明.

证明:方法一,取PD中点E,连接AE,NE.

∵底面ABCD是平行四边形,M,N分别是AB,PC的中点,∴MA∥CD,

∵E是PD的中点,∴NE∥CD,

∴MA∥NE,且MA=NE,∴AENM是平行四边形,∴MN∥AE.

又AE平面PAD,MN 平面PAD,∴MN∥平面PAD.

方法二取CD中点F,连接MF,NF.∵MF∥AD,NF∥PD,

∴平面MNF∥平面PAD,∴MN∥平面PAD.

【评述】关于直线和平面平行的问题,可归纳如下方法:(1)证明线线平行:a∥c,b∥c,a∥α,aβα∥βa⊥α,b⊥α

γ ∩α=a,γ

α∩β=b

∩β=b

a∥ba∥ba∥ba∥b(2)证明线面平行:

a∩α=a∥bα∥β bα,aαaβa∥αa∥αa∥α

(3)证明面面平行:

α∩β=a∥β,b∥βa⊥α,a⊥βα∥γ ,β∥γ a,bα,a∩b=A α∥βα∥βα∥βα∥β例3 在直三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1=AC,AB⊥AC,求证:A1C⊥BC1.

【分析】要证明“线线垂直”,可通过“线面垂直”进行转化,因此设法证明A1C垂直于经过BC1的平面即可.

证明:连接AC1.

∵ABC-A1B1C1是直三棱柱,∴AA1⊥平面ABC,∴AB⊥AA1.又AB⊥AC,

∴AB⊥平面A1ACC1,∴A1C⊥AB.①又AA1=AC,

∴侧面A1ACC1是正方形,∴A1C⊥AC1.②

由①,②得A1C⊥平面ABC1,

∴A1C⊥BC1.

【评述】空间中直线和平面垂直关系的论证往往是以“线面垂直”为核心展开的.如本题已知条件中出现的“直三棱柱”及“AB⊥AC”都要将其向“线面垂直”进行转化.

例4 在三棱锥P-ABC中,平面PAB⊥平

面ABC,AB⊥BC,AP⊥PB,求证:平面PAC⊥平面PBC.

【分析】要证明“面面垂直”,可通过“线面垂直”进行转化,而“线面垂直”又 可以通过“线线垂直”进行转化.

证明:

∵平面PAB⊥平面ABC,平面PAB∩平面ABC=AB,且AB⊥BC,∴BC⊥平面PAB,∴AP⊥BC.又AP⊥PB,

∴AP⊥平面PBC,又AP平面PAC,

∴平面PAC⊥平面PBC.

【评述】关于直线和平面垂直的问题,可归纳如下方法:(1)证明线线垂直:

a⊥c,b∥c,

a⊥b

(1)证明线面垂直:

a⊥αbαa⊥b

a⊥m,a⊥na∥b,b⊥αα∥β,a⊥βα⊥β,α∩β=l

m,nα,m∩n=Aaβ,a⊥l

a⊥αa⊥αa⊥αa⊥α

(1)证明面面垂直:

a⊥β,aαα⊥β

例5 如图,在斜三棱柱ABC-A1B1C1中,侧面A1ABB1是菱形,且垂直于底面ABC,∠A1AB=60°,E,F分别是AB1,BC的中点.

(Ⅰ)求证:直线EF∥平面A1ACC1;

(Ⅱ)在线段AB上确定一点G,使平面EFG⊥平面ABC,并给出证明.

证明:(Ⅰ)连接A1C,A1E.

∵侧面A1ABB1是菱形, E是AB1的中点,∴E也是A1B的中点,

又F是BC的中点,∴EF∥A1C.

∵A1C平面A1ACC1,EF平面A1ACC1,∴直线EF∥平面A1ACC1.

(2)解:当时,平面EFG⊥平面ABC,证明如下:连接EG,FG.

∵侧面A1ABB1是菱形,且∠A1AB=60°,∴△A1AB是等边三角形.∵E是A1B的中点,,∴EG⊥AB.

∵平面A1ABB1⊥平面ABC,且平面A1ABB1∩平面ABC=AB,

∴EG⊥平面ABC.

又EG平面EFG,∴平面EFG⊥平面ABC.

练习7-1

一、选择题:

1.已知m,n是两条不同直线,α ,β ,γ 是三个不同平面,下列命题中正确的是( )

(A)若m∥α ,n∥α ,则m∥n (B)若m⊥α ,n⊥α ,则m∥n(C)若α ⊥γ ,β ⊥γ ,则α ∥β (D)若m∥α ,m∥β ,则α ∥β

2.已知直线m,n和平面α ,β ,且m⊥n,m⊥α ,α ⊥β ,则( )

(A)n⊥β (B)n∥β ,或nβ(C)n⊥α (D)n∥α ,或nα

3.设a,b是两条直线,α 、β 是两个平面,则a⊥b的一个充分条件是( )

(A)a⊥α ,b∥β ,α ⊥β (B)a⊥α ,b⊥β ,α ∥β(C)aα ,b⊥β ,α ∥β (D)aα ,b∥β ,α ⊥β4.设直线m与平面α 相交但不垂直,则下列说法中正确的是( )(A)在平面α 内有且只有一条直线与直线m垂直(B)过直线m有且只有一个平面与平面α 垂直(C)与直线m垂直的直线不可能与平面α 平行(D)与直线m平行的平面不可能与平面α 垂直二、填空题:

5.在三棱锥P-ABC中,,平面PAB⊥平面ABC,PA⊥PB,AB⊥BC,∠BAC=30°,则PC=______.

6.在直四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,当底面ABCD满足条件______时,有A1C⊥B1D1.(只要求写出一种条件即可)

7.设α ,β 是两个不同的平面,m,n是平面α ,β 之外的两条不同直线,给出四个论断:

①m⊥n ②α ⊥β ③n⊥β ④m⊥α

以其中三个论断作为条件,余下的一个论断作为结论,写出正确的一个命题______.

8.已知平面α ⊥平面β ,α ∩β =l,点A∈α ,Al,直线AB∥l,直线AC⊥l,直线m∥α ,m∥β ,给出下列四种位置:①AB∥m;②AC⊥m;③AB∥β ;④AC⊥β ,

上述四种位置关系中,不一定成立的结论的序号是______.三、解答题:

9.如图,三棱锥P-ABC的三个侧面均为边长是1的等边三角形,M,N分别为PA,BC的中点.

(Ⅰ)求MN的长;(Ⅱ)求证:PA⊥BC.

10.如图,在四面体ABCD中,CB=CD,AD⊥BD,且E、F分别

是AB、BD的中点.求证:

(Ⅰ)直线EF∥平面ACD;(Ⅱ)平面EFC⊥平面BCD.

11.如图,平面ABEF⊥平面ABCD,四边形ABEF与ABCD都是直角梯

形,∠BAD=∠FAB=90°,BC∥AD,,G,H分别为FA,FD的中点.

(Ⅰ)证明:四边形BCHG是平行四边形;(Ⅱ)C,D,F,E四点是否共面?为什么?

(Ⅲ)设AB=BE,证明:平面ADE⊥平面CDE.

例2 如图,正三棱柱ABC-A1B1C1中,E是AC的中点.

(Ⅰ)求证:平面BEC1⊥平面ACC1A1;(Ⅱ)求证:AB1∥平面BEC1.

【分析】本题给出的三棱柱不是直立形式的直观图,这种情况下对空间想象能力提出了更高的要求,可以根据几何体自身的性质,适当添加辅助线帮助思考.

证明:(Ⅰ)∵ABC-A1B1C1是正三棱柱,∴AA1⊥平面ABC,∴BE⊥AA1.

∵△ABC是正三角形,E是AC的中点,∴BE⊥AC,∴BE⊥平面ACC1A1,又BE平面BEC1,

∴平面BEC1⊥平面ACC1A1.

(Ⅱ)证明:连接B1C,设BC1∩B1C=D.

∵BCC1B1是矩形,D是B1C的中点, ∴DE∥AB1.又DE平面BEC1,AB1平面BEC1,∴AB1∥平面BEC1.

例3 在四棱锥P-ABCD中,平面PAD⊥平面ABCD,AB∥DC,△PAD是等边三角形,已知BD=2AD=8,.

(Ⅰ)设M是PC上的一点,证明:平面MBD⊥平面PAD;(Ⅱ)求四棱锥P-ABCD的体积.

【分析】本题中的数量关系较多,可考虑从“算”的角度入手分析,如从M是PC上的动点分析知,MB,MD随点M的变动而运动,因此可考虑平面MBD内“不动”的直线BD是否垂直平面PAD.

证明:(Ⅰ)在△ABD中,由于AD=4,BD=8,,所以AD2+BD2=AB2.故AD⊥BD.

又平面PAD⊥平面ABCD,平面PAD∩平面ABCD=AD,BD平面ABCD,

所以BD⊥平面PAD,

又BD平面MBD,故平面MBD⊥平面PAD.(Ⅱ)解:过P作PO⊥AD交AD于O,

由于平面PAD⊥平面ABCD,所以PO⊥平面ABCD.因此PO为四棱锥P-ABCD的高,

又△PAD是边长为4的等边三角形.因此

在底面四边形ABCD中,AB∥DC,AB=2DC,

所以四边形ABCD是梯形,在Rt△ADB中,斜边AB边上的高为,即为梯形ABCD的高,

所以四边形ABCD的面积为故

专题七 立体几何参

练习7-1

一、选择题:

1.B 2.D 3.C 4.B二、填空题:

5. 6.AC⊥BD(或能得出此结论的其他条件)7.②、③、④①;或①、③、④② 8.④三、解答题:

9.(Ⅰ)解:连接MB,MC.

∵三棱锥P-ABC的三个侧面均为边长是1的等边三角形,∴,且底面△ABC也是边长为1的等边三角形.∵N为BC的中点,∴MN⊥BC.在Rt△MNB中,

(Ⅱ)证明:∵M是PA的中点,∴PA⊥MB,同理PA⊥MC.

∵MB∩MC=M,∴PA⊥平面MBC,又BC平面MBC,∴PA⊥BC.

10.证明:(Ⅰ)∵E、F分别是AB、BD的中点,

∴EF是△ABD的中位线,∴EF∥AD.

又EF平面ACD,AD平面ACD,∴直线EF∥平面ACD.

(Ⅱ)∵EF∥AD,AD⊥BD,∴EF⊥BD.

∵CB=CD,F是BD的中点,∴CF⊥BD.∵CF∩EF=F,∴BD⊥平面CEF.

∵BD平面BCD,∴平面EFC⊥平面BCD.

11.(Ⅰ)由题意知,FG=GA,FH=HD,∴GH∥AD,

又BC∥AD,,∴GH∥BC,GH=BC,∴四边形BCHG是平行四边形.

(Ⅱ)C,D,F,E四点共面.理由如下:由BE∥AF,,G是FA的中点,

得BE∥FG,且BE=FG.∴EF∥BG.

由(Ⅰ)知BG∥CH,∴EF∥CH,故EC,FH共面,又点D在直线

FH上,

所以C,D,F,E四点共面.(Ⅲ)连结EG,

由AB=BE,BE∥AG,BE=AG及∠BAG=90°,知ABEG是正方

形,

故BG⊥EA.

由题设知FA,AD,AB两两垂直,故AD⊥平面FABE,

∴BG⊥AD.

∴BG⊥平面EAD,∴BG⊥ED.又ED∩EA=E,∴BG⊥平面ADF.由(Ⅰ)知CH∥BG,∴CH⊥平面ADE.

由(Ⅱ)知F∈平面CDE,故CH平面CDE,得平面ADE⊥平

面CDE.

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