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        利用“主線”破解立體幾何中的垂直問(wèn)題

        2021-04-08 03:02:04
        數(shù)理化解題研究 2021年7期

        羅 紅

        (云南省蒙自市第一高級(jí)中學(xué) 661199)

        立體幾何在高考中是必考內(nèi)容,垂直的證明與應(yīng)用是考題中的熱點(diǎn),對(duì)于學(xué)生而言,都希望在高考中這道大題能得滿分,但是有很大一部分學(xué)生不但不能得到滿意的分?jǐn)?shù),還容易陷在此題中耗費(fèi)過(guò)多時(shí)間,尤其是遇到證明線線垂直、線面垂直和面面垂直時(shí),有的學(xué)生看似在證明,其實(shí)不得其法,思路混亂入不了門,完成不了證明.

        在立體幾何垂直的證明中,無(wú)論是線線垂直、線面垂直還是面面垂直,歸根結(jié)底是要證明線面垂直,下面給大家介紹一種方法:“一主線,多垂直”.所謂“一主線”指的就是到底要用哪條線來(lái)證明它與另一個(gè)面垂直;“多垂直”指的是我們?cè)趫D形中能找到的垂直,兩者合二為一就能快速解決問(wèn)題.

        一、高中數(shù)學(xué)幾何中常見(jiàn)的幾種垂直

        二、線面垂直

        一條直線與一個(gè)平面內(nèi)的兩條相交直線都垂直,則該直線與此平面垂直.

        例1如圖1,已知PA⊥BC,AB是⊙O的直徑,C是⊙O上不同于A,B的任意一點(diǎn),過(guò)點(diǎn)A作AE⊥PC于點(diǎn)E.

        求證:AE⊥平面PBC.

        分析要證AE⊥平面PBC,只需要證明AE垂直平面PBC中的兩條相交直線即可,題目中已有一條AE⊥PC,另一條要去找垂直多的地方,觀察圖形,發(fā)現(xiàn)底面有一個(gè)直徑所對(duì)的圓周角,左邊還有題設(shè)給的垂直P(pán)A⊥BC沒(méi)有用,整體“重心”在左方和下方,所以考慮應(yīng)該找AE⊥BC.

        證明因?yàn)锳B是⊙O的直徑,所以BC⊥AC.

        因?yàn)镻A⊥BC,PA∩AC=A,所以BC⊥平面PAC.

        因?yàn)锳E?平面PAC,所以BC⊥AE.

        因?yàn)锳E⊥PC且PC∩BC=C,所以AE⊥平面PBC.

        (1)證明:PO⊥ 平面ABC;

        (2)若點(diǎn)M在棱BC上,且MC=2MB,求點(diǎn)C到平面POM的距離.

        分析第(1)問(wèn)的證明題目中沒(méi)有給現(xiàn)成的垂直,但是給了很多的線段長(zhǎng)度,這種類型的題要注意數(shù)據(jù),看有沒(méi)有等腰三角形三線合一,有沒(méi)有滿足勾股定理的逆定理,從而得出直角.通過(guò)觀察,我們發(fā)現(xiàn)PA=PC,O為AC的中點(diǎn),所以有PO⊥AC,要證明PO⊥平面ABC,還差一條線,從圖上看底面ABC中還剩下AB,BC,PO與AB,PO與BC是異面直線,顯然不是這兩條,所以我們要重新找一條能夠和PO構(gòu)成一個(gè)平面,又能充分利用已知數(shù)據(jù),自然聯(lián)想連接OB,容易證得OP2+OB2=PB2,從而得出PO⊥AB.

        由OP2+OB2=PB2,知OP⊥OB.

        由OP⊥OB,OP⊥AC,知PO⊥平面ABC.

        三、線線垂直

        如果一條直線垂直于一個(gè)平面, 那么這條直線與此平面內(nèi)的任意一條直線都垂直.

        例3(2017年全國(guó)Ⅲ卷文數(shù)19題)如圖4,四面體ABCD中,△ABC是正三角形,AD=CD.

        證明:AC⊥BD.

        分析要證明線線垂直多用線面垂直,需要找出一條線和一個(gè)面,所以要區(qū)分到底哪條線是主線,哪條線要放在平面內(nèi),在做題之前可用不同顏色標(biāo)明兩條線.下面來(lái)看兩條線誰(shuí)的垂直會(huì)多一些,因?yàn)椤鰽BC是正三角形,AD=CD,出現(xiàn)了等腰三角形和等邊三角形,很自然地聯(lián)想“三線合一”,所以取AC的中點(diǎn)O,連接DO,BO,這樣就構(gòu)成了一個(gè)平面,而且還有兩個(gè)垂直,如圖5,所以AC是主線,BD要放在平面內(nèi).

        證明取AC的中點(diǎn)O,連接DO,BO.

        因?yàn)锳D=CD,

        所以DO⊥AC.

        又由于△ABC是正三角形,所以BO⊥AC.

        又DO∩BO=O,從而AC⊥平面BOD,故AC⊥BD.

        例4(2020年全國(guó)Ⅲ卷文數(shù))如圖6,在長(zhǎng)方體ABCD-A1B1C1D1中,點(diǎn)E,F(xiàn)分別在棱DD1,BB1上,且2DE=ED1,BF=2FB1.

        證明:當(dāng)AB=BC時(shí),EF⊥AC.

        分析AC是長(zhǎng)方體上底面的一條對(duì)角線,因?yàn)锳B=BC,所以上底面是正方形,兩條對(duì)角線互相垂直,顯然AC和EF比較,AC能找到的垂直更多,所以AC是主線,要把EF放在一個(gè)平面內(nèi),至此,主線與平面已區(qū)分開(kāi)來(lái),只需構(gòu)造平面即可.

        證明如圖7,連接BD,B1D1.因?yàn)锳B=BC,所以四邊形ABCD為正方形,故AC⊥BD.又因?yàn)锽B1⊥平面ABCD,于是AC⊥BB1.所以AC⊥平面BB1D1D.

        由于EF?平面BB1D1D,所以EF⊥AC.

        四、面面垂直

        一個(gè)平面過(guò)另一個(gè)平面的垂線,則這兩個(gè)平面垂直.

        證明:平面AMD⊥平面BMC.

        證明由題設(shè)知,平面CMD⊥平面ABCD,交線為CD.

        因?yàn)锽C⊥CD,BC?平面ABCD,所以BC⊥平面CMD,故BC⊥DM.

        又BC∩CM=C,所以DM⊥平面BMC.

        而DM?平面AMD,故平面AMD⊥平面BMC.

        例6(2020年全國(guó)Ⅱ卷文數(shù))如圖9,已知三棱柱ABC-A1B1C1的底面是正三角形,側(cè)面BB1C1C是矩形,M,N分別為BC,B1C1的中點(diǎn),P為AM上一點(diǎn).過(guò)B1C1和P的平面交AB于點(diǎn)E,交AC于點(diǎn)F.

        證明:AA1∥MN,且平面AA1MN⊥平面EB1C1F.

        分析先將需要證明垂直的兩個(gè)平面用不同顏色勾勒出來(lái),再去看題目中的條件,很快能夠發(fā)現(xiàn)B1C1的垂直最多,所以B1C1是主線.

        證明因?yàn)镸,N分別為BC,B1C1的中點(diǎn),

        所以MN∥CC1.

        又由已知得AA1∥CC1,故AA1∥MN.

        因?yàn)椤鰽1B1C1是正三角形,所以B1C1⊥A1N.

        又B1C1⊥MN,故B1C1⊥平面AA1MN.

        又因?yàn)锽1C1?平面EB1C1F,

        所以平面AA1MN⊥平面EB1C1F.

        例7(2017年全國(guó)Ⅰ卷文數(shù))如圖10,在四棱錐P-ABCD中,AB//CD,且∠BAP=∠CDP=90°.

        證明:平面PAB⊥平面PAD.

        分析先將需要證明垂直的兩個(gè)平面用不同顏色勾勒出來(lái),我們發(fā)現(xiàn)有一條線是公共的,那么這條線一定不會(huì)是主線,剩下4條線有明顯垂直的就是AB,所以AB是主線.

        證明由已知∠BAP=∠CDP=90°,得AB⊥AP,CD⊥PD.

        由于AB∥CD,故AB⊥PD.

        從而AB⊥平面PAD.

        又AB?平面PAB,所以平面PAB⊥平面PAD.

        通過(guò)以上例題我們不難看出,立體幾何中的垂直證明關(guān)鍵在于找到那條“主線”,而主線的尋找往往依賴于題目中的條件,主線一般會(huì)在垂直多的地方,大部分在底面、側(cè)面里,很少是體的對(duì)角線(看上去是懸空的線),證明面面垂直時(shí),兩個(gè)面的公共線不會(huì)是主線,所以找出題目中的信息很關(guān)鍵,哪里有垂直,哪里的垂直多,整個(gè)題目的條件偏向于哪里,哪里就是這道題的“重心”,我們只需要依著這樣的規(guī)律,就能夠快速地破解這類題,做題時(shí)思路就會(huì)很清晰,也就能夠起到事半功倍的效果!

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