《数学》复习人教A（新高考）-第4节　直线、平面垂直的判定与性质

第七章

第4节直线、平面垂直的判定与性质知识分类落实考点分层突破课后巩固作业内容索引///////123//////////////知识分类落实夯实基础回扣知识1知识梳理///////1.直线与平面垂直(1)直线和平面垂直的定义如果一条直线l与平面α内的

直线都垂直，就说直线l与平面α互相垂直.任意(2)判定定理与性质定理文字语言图形表示符号表示判定定理一条直线与一个平面内的

都垂直，则该直线与此平面垂直两条相交直线l⊥al⊥ba⊂α

b⊂α

性质定理两直线垂直于同一个平面，那么这两条直线平行a⊥α

b⊥α

(1)定义：一条斜线和它在平面上的

所成的

叫做这条直线和这个平面所成的角，一条直线垂直于平面，则它们所成的角是

；一条直线和平面平行或在平面内，则它们所成的角是0°的角.(2)范围：

.2.直线和平面所成的角射影锐角直角(1)定义：从一条直线出发的

所组成的图形叫做二面角；(2)二面角的平面角：在二面角的棱上任取一点，以该点为垂足，在两个半平面内分别作

的两条射线，这两条射线所构成的角叫做二面角的平面角.(3)二面角的范围：[0，π].3.二面角两个半平面垂直于棱(1)平面与平面垂直的定义两个平面相交，如果它们所成的二面角是

，就说这两个平面互相垂直.(2)判定定理与性质定理4.平面与平面垂直直二面角l⊥α垂线

l⊂β

交线

α∩β＝aα⊥βl⊥a

l⊂β

1.三个重要结论(1)若两平行线中的一条垂直于一个平面，则另一条也垂直于这个平面.(2)若一条直线垂直于一个平面，则它垂直于这个平面内的任何一条直线(证明线线垂直的一个重要方法).(3)垂直于同一条直线的两个平面平行.2.使用线面垂直的定义和线面垂直的判定定理，不要误解为“如果一条直线垂直于平面内的无数条直线，就垂直于这个平面”.3.三种垂直关系的转化1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”) (1)直线l与平面α内的无数条直线都垂直，则l⊥α. (

) (2)垂直于同一个平面的两平面平行. (

) (3)若两平面垂直，则其中一个平面内的任意一条直线垂直于另一个平面.(

) (4)若平面α内的一条直线垂直于平面β内的无数条直线，则α⊥β.(

)

解析(1)直线l与平面α内的无数条直线都垂直，则有l⊥α或l与α斜交或l⊂α或l∥α，故(1)错误. (2)垂直于同一个平面的两个平面平行或相交，故(2)错误. (3)若两个平面垂直，则其中一个平面内的直线可能垂直于另一平面，也可能与另一平面平行，也可能与另一平面相交，也可能在另一平面内，故(3)错误. (4)若平面α内的一条直线垂直于平面β内的所有直线，则α⊥β，故(4)错误.××××2.已知互相垂直的平面α，β交于直线l.若直线m，n满足m∥α，n⊥β，则(

) A.m∥l B.m∥n C.n⊥l D.m⊥n

解析由题意知，α∩β＝l， 所以l⊂β， 因为n⊥β， 所以n⊥l.C3.在三棱锥P－ABC中，点P在平面ABC中的射影为点O. (1)若PA＝PB＝PC，则点O是△ABC的________心.

解析

如图1，连接OA，OB，OC，OP，在Rt△POA，Rt△POB和Rt△POC中，PA＝PB＝PC，所以OA＝OB＝OC，即O为△ABC的外心.外图13.在三棱锥P－ABC中，点P在平面ABC中的射影为点O. (2)若PA⊥PB，PB⊥PC，PC⊥PA，则点O是△ABC的________心.

解析

如图2，延长AO，BO，CO分别交BC，AC，AB于H，D，G.

因为PC⊥PA，PB⊥PC，PA∩PB＝P， 所以PC⊥平面PAB， 又AB⊂平面PAB，所以PC⊥AB， 因为PO⊥AB，PO∩PC＝P， 所以AB⊥平面PGC，又CG⊂平面PGC， 所以AB⊥CG，即CG为△ABC边AB上的高.

同理可证BD，AH分别为△ABC边AC，BC上的高，即O为△ABC的垂心.垂图24.(2020·日照检测)已知α，β表示两个不同的平面，m为平面α内的一条直线，则“α⊥β”是“m⊥β”的 (

) A.充分不必要条件

B.必要不充分条件

C.充要条件

D.既不充分也不必要条件 解析

m⊂α，m⊥β⇒α⊥β，反过来，若m⊂α，α⊥βD⇒m⊥β(m∥β或m与β斜交)， 所以“α⊥β”是“m⊥β”的必要不充分条件.B5.(多选题)(2021·重庆质检)如图所示，AB是半圆O的直径，VA

垂直于半圆O所在的平面，点C是圆周上不同于A，B的任意 一点，M，N分别为VA，VC的中点，则下列结论正确的是(

) A.MN∥平面ABC B.平面VAC⊥平面VBC C.MN与BC所成的角为45° D.OC⊥平面VAC

解析

易知MN∥AC，又AC⊂平面ABC，MN⊄平面ABC，

∴MN∥平面ABC，又由题意得BC⊥AC， 因为VA⊥平面ABC，BC⊂平面ABC， 所以VA⊥BC.

因为AC∩VA＝A， 所以BC⊥平面VAC.因为BC⊂平面VBC， 所以平面VAC⊥平面VBC.故选AB.AB解析连接BC1，因为AB⊥平面BB1C1C，所以∠AC1B＝30°，AB⊥BC1，所以△ABC1为直角三角形.C考点分层突破题型剖析考点聚焦2【例1】如图，长方体ABCD－A1B1C1D1的底面ABCD是 正方形，点E在棱AA1上，BE⊥EC1. (1)证明：BE⊥平面EB1C1； 证明由已知得B1C1⊥平面ABB1A1，BE⊂平面ABB1A1， 故B1C1⊥BE.又BE⊥EC1，B1C1∩EC1＝C1，B1C1，EC1⊂平面EB1C1， 所以BE⊥平面EB1C1.考点一线面垂直的判定与性质///////师生共研解由(1)知∠BEB1＝90°.由题设知Rt△ABE≌Rt△A1B1E，所以∠AEB＝∠A1EB1＝45°，故AE＝AB＝3，AA1＝2AE＝6.如图，作EF⊥BB1，垂足为F，则EF⊥平面BB1C1C，且EF＝AB＝3.【例1】如图，长方体ABCD－A1B1C1D1的底面ABCD是 正方形，点E在棱AA1上，BE⊥EC1. (2)若AE＝A1E，AB＝3，求四棱锥E－BB1C1C的体积.1.证明直线和平面垂直的常用方法有：(1)判定定理；(2)垂直于平面的传递性(a∥b，a⊥α⇒b⊥α)；(3)面面平行的性质(a⊥α，α∥β⇒a⊥β)；(4)面面垂直的性质(α⊥β，α∩β＝a，l⊥a，l⊂β⇒l⊥α).2.证明线面垂直的核心是证线线垂直，而证明线线垂直则需借助线面垂直的性质.因此，判定定理与性质定理的合理转化是证明线面垂直的基本思路.感悟升华【训练1】如图，在四棱锥P－ABCD中，PA⊥底面ABCD，

AB⊥AD，AC⊥CD，∠ABC＝60°，PA＝AB＝BC，

E是PC的中点.证明：

(1)CD⊥AE； 证明

在四棱锥P－ABCD中， ∵PA⊥底面ABCD，CD⊂平面ABCD， ∴PA⊥CD， 又∵AC⊥CD，且PA∩AC＝A， ∴CD⊥平面PAC.

又AE⊂平面PAC，∴CD⊥AE.证明

由PA＝AB＝BC，∠ABC＝60°，可得AC＝PA.∵E是PC的中点，∴AE⊥PC.由(1)知AE⊥CD，且PC∩CD＝C，∴AE⊥平面PCD.又PD⊂平面PCD，∴AE⊥PD.∵PA⊥底面ABCD，AB⊂平面ABCD，∴PA⊥AB.又∵AB⊥AD，且PA∩AD＝A，∴AB⊥平面PAD，又PD⊂平面PAD，∴AB⊥PD.又∵AB∩AE＝A，∴PD⊥平面ABE.【训练1】如图，在四棱锥P－ABCD中，PA⊥底面ABCD，

AB⊥AD，AC⊥CD，∠ABC＝60°，PA＝AB＝BC，

E是PC的中点.证明：

(2)PD⊥平面ABE.【例2】(2020·全国Ⅰ卷)如图，D为圆锥的顶点，O是圆锥底面的 圆心，△ABC是底面的内接正三角形，P为DO上一点，

∠APC＝90°. (1)证明：平面PAB⊥平面PAC； 证明由题设可知，PA＝PB＝PC.

由△ABC是正三角形， 可得△PAC≌△PAB，△PAC≌△PBC.

又∠APC＝90°，故∠APB＝90°，∠BPC＝90°.

从而PB⊥PA，PB⊥PC，又PA，PC⊂平面PAC，PA∩PC＝P， 故PB⊥平面PAC，又PB⊂平面PAB， 所以平面PAB⊥平面PAC.考点二面面垂直的判定与性质///////师生共研解设圆锥的底面半径为r，母线长为l，所以三棱锥P－ABC的体积为1.判定面面垂直的方法主要是：(1)面面垂直的定义；(2)面面垂直的判定定理(a⊥β，a⊂α⇒α⊥β).2.已知平面垂直时，解题一般要用性质定理进行转化.在一个平面内作交线的垂线，将问题转化为线面垂直，然后进一步转化为线线垂直.感悟升华证明

∵△ADE是等边三角形，M是DE的中点，∴AM⊥DE.又平面ADE⊥平面BCDE，平面ADE∩平面BCDE＝DE，∴AM⊥平面BCDE，∵BD⊂平面BCDE，∴AM⊥BD，∴MD綊CN，∴四边形MNCD是平行四边形，∴MN∥CD.∴BD⊥CD，∴BD⊥MN.又AM∩MN＝M，∴BD⊥平面AMN.解由(1)知AM⊥平面BCDE，∴AM为三棱锥A－BGN的高.∵△ADE是边长为2的等边三角形，角度1平行与垂直关系的证明【例3】如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD为矩形， 平面PAD⊥平面ABCD，PA⊥PD，PA＝PD，E，F分别 为AD，PB的中点.求证：

(1)PE⊥BC； 证明

因为PA＝PD，E为AD的中点， 所以PE⊥AD.

因为底面ABCD为矩形，所以BC∥AD.

所以PE⊥BC.考点三平行与垂直的综合问题///////多维探究【例3】如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD为矩形， 平面PAD⊥平面ABCD，PA⊥PD，PA＝PD，E，F分别 为AD，PB的中点.求证：

(2)平面PAB⊥平面PCD； 证明

因为底面ABCD为矩形，所以AB⊥AD.

又因为平面PAD⊥平面ABCD，平面PAD∩平面ABCD＝AD，AB⊂平面ABCD， 所 以AB⊥平面PAD.

又PD⊂平面PAD，所以AB⊥PD.

又因为PA⊥PD，且PA∩AB＝A， 所以PD⊥平面PAB.又PD⊂平面PCD， 所以平面PAB⊥平面PCD.【例3】如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD为矩形， 平面PAD⊥平面ABCD，PA⊥PD，PA＝PD，E，F分别 为AD，PB的中点.求证：

(3)EF∥平面PCD.

证明

如图，取PC中点G，连接FG，DG.

因为F，G分别为PB，PC的中点， 因为ABCD为矩形，且E为AD的中点， 所以DE∥FG，DE＝FG.

所以四边形DEFG为平行四边形.

所以EF∥DG.

又因为EF⊄平面PCD，DG⊂平面PCD， 所以EF∥平面PCD.1.三种垂直的综合问题，一般通过作辅助线进行线线、线面、面面垂直间的转化.2.垂直与平行的结合问题，求解时应注意平行、垂直的性质及判定的综合应用.如果有平面垂直时，一般要用性质定理，在一个平面内作交线的垂线，使之转化为线面垂直，然后进一步转化为线线垂直.感悟升华角度2平行垂直关系与几何体的度量【例4】(2019·天津卷)如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD

为平行四边形，△PCD为等边三角形，平面PAC⊥平面PCD，

PA⊥CD，CD＝2，AD＝3. (1)设G，H分别为PB，AC的中点，求证：GH∥平面PAD； 证明

连接BD，易知AC∩BD＝H，BH＝DH.

又由BG＝PG，故GH为△PBD的中位线， 所以GH∥PD.

又因为GH⊄平面PAD，PD⊂平面PAD， 所以GH∥平面PAD.【例4】(2019·天津卷)如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD

为平行四边形，△PCD为等边三角形，平面PAC⊥平面PCD，

PA⊥CD，CD＝2，AD＝3. (2)求证：PA⊥平面PCD； 证明取棱PC的中点N，连接DN.依题意，得DN⊥PC.

又因为平面PAC⊥平面PCD，平面PAC∩平面PCD＝PC，DN⊂平面PCD， 所以DN⊥平面PAC.

又PA⊂平面PAC， 所以DN⊥PA.

又已知PA⊥CD，CD∩DN＝D， 所以PA⊥平面PCD.【例4】(2019·天津卷)如图，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD

为平行四边形，△PCD为等边三角形，平面PAC⊥平面PCD，

PA⊥CD，CD＝2，AD＝3. (3)求直线AD与平面PAC所成角的正弦值.

解连接AN，由(2)中DN⊥平面PAC，可知∠DAN为直线AD与平面PAC所成的角.

因为△PCD为等边三角形，CD＝2且N为PC的中点，1.平行垂直关系应用广泛，不仅可以证明判断空间线面、面面位置关系，而且常用以求空间角和空间距离、体积.2.综合法求直线与平面所成的角，主要是找出斜线在平面内的射影，其关键是作垂线，找垂足，把线面角转化到一个三角形中求解.感悟升华【训练3】如图，AB是⊙O的直径，PA垂直于⊙O所在的平面，

C是圆周上不同于A，B的一动点. (1)证明：△PBC是直角三角形； 证明∵AB是⊙O的直径，C是圆周上不同于A，B的一动点. ∴BC⊥AC， ∵PA⊥平面ABC， ∴PA⊥BC， 又PA∩AC＝A，PA，AC⊂平面PAC， ∴BC⊥平面PAC， ∴BC⊥PC， ∴△BPC是直角三角形.解如图，过A作AH⊥PC于H，∵BC⊥平面PAC，∴BC⊥AH，又PC∩BC＝C，PC，BC⊂平面PBC，∴AH⊥平面PBC，∴∠ABH是直线AB与平面PBC所成的角，∵PA⊥平面ABC，∴∠PCA是直线PC与平面ABC所成的角，立体几何中的探索性问题是近年高考的热点，题目主要涉及线面平行、垂直位置关系的探究，条件或结论不完备的开放性问题的探究，重点考查逻辑推理，直观想象与数学运算核心素养.与垂直平行相关的探索性问题【典例】如图所示，在四棱锥P－ABCD中，底面ABCD为直 角梯形，∠ABC＝∠BAD＝90°，△PDC和△BDC均为等边 三角形，且平面PDC⊥平面BDC. (1)在棱PB上是否存在点E，使得AE∥平面PDC？若存在，试确定点E的位置；若不存在，试说明理由.

解存在点E，当点E为棱PB的中点时，使得AE∥面PDC，理由如下： 如图所示，取PB的中点E，连接AE，取PC的中点F，连接EF，DF，取BC的中点G，连接DG.

因为△BCD是等边三角形，所以∠DGB＝90°.

因为∠ABC＝∠BAD＝90°，所以四边形ABGD为矩形，因为EF为△BCP的中位线，所以四边形ADFE是平行四边形，从而AE∥DF，又AE⊄平面PDC，DF⊂平面PDC，所以AE∥平面PDC.解取CD的中点M，连接PM，过点P作PN⊥BC交BC于点N，连接MN，如图所示.因为△PDC为等边三角形，所以PM⊥DC.因为PM⊥DC，平面PDC⊥平面BDC，平面PDC∩平面BDC＝DC.所以PM⊥平面BCD，故PM为四棱锥P－ABCD的高.又BC⊂平面BCD，所以PM⊥BC.因为PN⊥BC，PN∩PM＝P，PN⊂平面PMN，PM⊂平面PMN，所以BC⊥平面PMN.因为MN⊂平面PMN，所以BC⊥MN.1.求条件探索性问题的主要途径：(1)先猜后证，即先观察与尝试给出条件再证明；(2)先通过命题成立的必要条件探索出命题成立的条件，再证明充分性.2.涉及点的位置探索性问题一般是先根据条件猜测点的位置再给出证明，探索点的存在问题，点多为中点或三等分点中某一个，也可以根据相似知识建点.平行或垂直关系入手，把所探究的结论转化为平面图形中线线关系，从而确定探究的结果.感悟升华【训练】如图，三棱锥P－ABC中，PA⊥平面ABC，

PA＝1，AB＝1，AC＝2，∠BAC＝60°. (1)求三棱锥P－ABC的体积； 解

由题知AB＝1，AC＝2，∠BAC＝60°， 由PA⊥平面ABC，可知PA是三棱锥P－ABC的高.解

在平面ABC内，过点B作BN⊥AC，垂足为N.在平面PAC内，过点N作MN∥PA交PC于点M，连接BM.由PA⊥平面ABC知PA⊥AC，所以MN⊥AC.由于BN∩MN＝N，故AC⊥平面MBN.又BM⊂平面MBN，所以AC⊥BM.课后巩固作业提升能力分层训练3一、选择题1.(2020·淮北质检)已知平面α，直线m，n，若n⊂α，则“m⊥n”是“m⊥α”的 (

) A.充分不必要条件 B.充分必要条件

C.必要不充分条件 D.既不充分也不必要条件 解析

由n⊂α，m⊥n，不一定得到m⊥α；反之，由n⊂α，m⊥α，可得m⊥n. ∴若n⊂α，则“m⊥n”是“m⊥α”的必要不充分条件.C2.(多选题)(2020·潍坊调研)在正方体ABCD－A1B1C1D1中，E为CD的中点，则(

) A.A1E⊥AD1 B.A1E⊥BD C.A1E⊥BC1 D.A1E⊥AC

解析如图，由题设知，A1B1⊥平面BCC1B1， 且BC1⊂平面BCC1B1，从而A1B1⊥BC1.

又B1C⊥BC1，且A1B1∩B1C＝B1， 所以BC1⊥平面A1B1CD， 又A1E⊂平面A1B1CD， 所以A1E⊥BC1.又易知AD1∥BC1， 所以A1E⊥AD1.AC3.(2021·郑州调研)已知m，l是两条不同的直线，α，β是两个不同的平面，则下列可以推出α⊥β的是 (

) A.m⊥l，m⊂β，l⊥α B.m⊥l，α∩β＝l，m⊂α C.m∥l，m⊥α，l⊥β D.l⊥α，m∥l，m∥β

解析在A中，m⊥l，m⊂β，l⊥α，则α与β相交或平行，故A错误； 在B中，m⊥l，α∩β＝l，m⊂α，则α与β有可能相交但不垂直，故B错误； 在C中，m∥l，m⊥α，l⊥β，则α∥β，故C错误； 在D中，l⊥α，m∥l，则m⊥α，又m∥β，则α⊥β，故D正确.D解析

因为D，E分别是BC和PC的中点，所以DE∥PB，又∠CAB＝90°，B所以AE2＋CE2＝AC2，即AE⊥PC，又DE∩AE＝E，所以PC⊥平面ADE，如图，延长ED至F，使得EF＝PB，连接BF，所以BF⊥平面AED，连接AF，所以∠BAF为AB与平面ADE所成的角，5.(多选题)(2021·武汉调研)如图，AC＝2R为圆O的直径，

∠PCA＝45°，PA垂直于圆O所在的平面，B为圆周 上不与点A、C重合的点，AS⊥PC于S，AN⊥PB于N， 则下列结论正确的是 (

) A.平面ANS⊥平面PBC B.平面ANS⊥平面PAB C.平面PAB⊥平面PBC D.平面ABC⊥平面PAC

解析

∵PA⊥平面ABC，BC⊂平面ABC，∴PA⊥BC， 又AC为圆O直径，所以AB⊥BC， 又PA∩AB＝A，∴BC⊥平面PAB， 又AN⊂平面ABP，∴BC⊥AN， 又AN⊥PB，BC∩PB＝B，∴AN⊥平面PBC， ∵AN⊂平面ANS，∴平面ANS⊥平面PBC， ∴A正确，C，D显然正确.ACD6.(多选题)(2021·济南模拟)如图，点P在正方体ABCD－A1B1C1D1

的面对角线BC1上运动，则下列结论正确的是(

) A.三棱锥A－D1PC的体积不变

B.A1P∥平面ACD1 C.DP⊥BC1 D.平面PDB1⊥平面ACD1

解析对于A，由题意知AD1∥BC1，从而BC1∥平面AD1C， 故BC1上任意一点到平面AD1C的距离均相等， 所以以P为顶点，平面AD1C为底面， 则三棱锥A－D1PC的体积不变，故A正确； 对于B，连接A1B，A1C1，A1C1綊AC，由A知：AD1∥BC1， 所以面BA1C1∥面ACD1，从而由线面平行的定义可得，故B正确；ABD对于C，由于DC⊥平面BCC1B1，所以DC⊥BC1，若DP⊥BC1，则BC1⊥平面DCP，所以BC1⊥PC，则P为中点，与P为动点矛盾，故C错误；对于D，连接DB1，由DB1⊥AC且DB1⊥AD1，可得DB1⊥面ACD1，从而由面面垂直的判定知，故D正确.二、填空题7.已知l，m是平面α外的两条不同直线.给出下列三个论断： ①l⊥m；②m∥α；③l⊥α.

以其中的两个论断作为条件，余下的一个论断作为结论，写出一个正确的命题：________.

答案

若m∥α，l⊥α，则l⊥m(或若l⊥m，l⊥α，则m∥α，答案不唯一)

解析

已知l，m是平面α外的两条不同直线， 由①l⊥m与②m∥α，不能推出③l⊥α， 因为l可以与α平行，也可以相交不垂直； 由①l⊥m与③l⊥α能推出②m∥α； 由②m∥α与③l⊥α可以推出①l⊥m.故正确的命题是②③⇒①或①③⇒②.8.如图所示，在四棱锥P－ABCD中，PA⊥底面ABCD， 且底面各边都相等，M是PC上的一动点，当点M满足

_____________________________________时， 平面MBD⊥平面PCD(只要填写一个你认为是正确的条件即可).

解析

连接AC，BD，则AC⊥BD， 因为PA⊥底面ABCD，BD⊂平面ABCD，所以PA⊥BD.

又PA∩AC＝A，所以BD⊥平面PAC，PC⊂平面PAC，所以BD⊥PC.

所以当DM⊥PC(或BM⊥PC)时， 有PC⊥平面MBD. PC⊂平面PCD，所以平面MBD⊥平面PCD.DM⊥PC(或BM⊥PC)

9.如图，在直三棱柱ABC－A1B1C1中，侧棱长为2，AC＝BC＝1，

∠ACB＝90°，D是A1B1的中点，F是BB1上的动点，AB1，DF

交于点E，要使AB1⊥平面C1DF，则线段B1F的长为________.

解析

设B1F＝x， 因为AB1⊥平面C1DF，DF⊂平面C1DF， 所以AB1⊥DF，证明

因为AP＝CP＝AC＝4，O为AC的中点，连接OB，因为AB＝BC，AB2＋BC2＝AC2，由OP2＋OB2＝PB2知，OP⊥OB.由OP⊥OB，OP⊥AC且OB∩AC＝O，知PO⊥平面ABC.解

作CH⊥OM，垂足为H.又由(1)可得OP⊥CH，所以CH⊥平面POM.故CH的长为点C到平面POM的距离.11.(2021·重庆诊断)如图，在四棱锥P－ABCD中， 底面ABCD是菱形，∠BAD＝60°，△PAD是正 三角形，E为线段AD的中点. (1)求证：平面PBC⊥平面PBE； 证明因为△PAD是正三角形，E为线段AD的中点， 所以PE⊥AD.

因为底面ABCD是菱形，所以AD＝AB， 又∠BAD＝60°， 所以△ABD是正三角形， 所以BE⊥AD.

又BE∩PE＝E，所以AD⊥平面PBE.

又