Теорема о прямых перпендикулярных одной плоскости. Урок «Теорема о прямой, перпендикулярной к плоскости. Использование теоремы для решения задач

Прямая, перпендикулярная к плоскости, перпендикулярна к любой прямой этой плоскости. На основании теоремы о проецировании прямого угла, а суть ее в следующем:

при прямоугольном проецировании прямой угол проецируется в натуральную величину (прямым) только в том случае, если одна из его сторон параллельна плоскости проекций, а другая - не перпендикулярна этой плоскости,

в качестве прямых плоскости общего положения удобнее всего использовать ее линии уровня.

Поэтому, проводя перпендикуляр к плоскости, необходимо брать в этой плоскости две такие прямые: горизонталь и фронталь.

Проекции прямой, перпендикулярной к плоскости, на комплексном чертеже перпендикулярны к соответствующим проекциям ее линий уровня, т.е. если прямая линия перпендикулярна плоскости, то ее горизонтальная проекция должна быть перпендикулярна горизонтальной проекции горизонтали, а ее фронтальная проекция - фронтальной проекции фронтали (рис. 67) или соответствующим следам плоскости (рис. 68).

На рис. 69 изображена плоскость общего положения (a b ), к которой к которой требуется провести перпендикулярную прямую.

Рис. 67 Рис. 68

Рис. 69

Проводим в данной плоскости горизонталь h (через точки 1,3) и фронтальv (через точки 1,4) (рис. 69).

Затем из точки 1 проводим прямую n перпендикулярно к горизонтали и фронтали плоскости следующим образом:

n"  h" n""  h""

Построенная прямая n (n" ,n"" ) является искомым перпендикуляром к плоскости.

Перпендикулярные плоскости

Две плоскости взаимно перпендикулярны, если одна из них проходит через перпендикуляр к другой. Построение таких плоскостей может быть выполнено двумя путями:

1) плоскость проводится через перпендикуляр к другой;

2) плоскость проводится перпендикулярно прямой, принадлежащей другой плоскости.

На рис. 70 изображены прямая общего положения l и плоскость общего положения(а b ). Требуется построить через прямуюl плоскость, перпендикулярную к плоскости.

Рис. 70

Для решения задачи необходимо через какую-нибудь точку данной прямой, например, точку М , провести перпендикуляр к плоскости, заданной пересекающимися прямымиa иb .

Проводим в плоскости горизонтальh и фронтальv (рис. 70).

Далее из точки М , взятой на прямойl , опускаем перпендикулярn , пользуясь рассмотренным выше положением:n" h" ;n"" v"" , т.е. горизонтальная проекция перпендикуляра будет перпендикулярна горизонтальной проекции горизонтали, а фронтальная его проекция - перпендикулярна фронтальной проекции фронтали (рис. 70).

Плоскость (l n ), проходящая через прямуюn , будет перпендикулярна к плоскости.

Перпендикулярные прямые

Две прямые перпендикулярны в том и только в том случае, если через каждую из них можно провести плоскость, перпендикулярную к другой прямой.

На рис. 71 изображена прямая l общего положения, к которой требуется провести перпендикулярную прямую.

Рис. 71

Через точку А прямойl строим перпендикулярную к ней плоскость(h v ):

l"  h" ; l""  h"" (рис. 71).

Любая прямая, лежащая в плоскости будет также перпендикулярна к данной прямойl . Поэтому проведем в этой плоскости произвольную прямуюt , на которой возьмем произвольную точку, например, точкуВ (рис. 71).

Соединив точки А иВ , лежащие в плоскости, получим прямуюn , перпендикулярную к данной прямойl (рис. 71).

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

Что называется линией наибольшего наклона плоскости?

Как определить угол наклона плоскости к фронтальной плоскости проекций?

Как отображается на комплексном чертеже взаимная перпендикулярность прямой и плоскости?

Сформулировать необходимые и достаточные условия перпендикулярности двух прямых общего положения.

При каких условиях перпендикулярны между собой две плоскости общего положения?

Как провести плоскость, перпендикулярную к данной прямой?

Как провести перпендикуляр из точки на прямую общего положения?

Как построить взаимно-перпендикулярные плоскости?

9.1 Теорема о прямой, перпендикулярной плоскости

Теорема о параллели к перпендикуляру позволяет доказать основную теорему о прямой, перпендикулярной плоскости.

Доказательство. Пусть даны точка А и плоскость α (рис. 87, а). Можно считать, что А не лежит в плоскости α, так как случай, когда А ∈ α, рассмотрен в задаче п. 7.3. Проведём через какую-либо точку плоскости α прямую а ⊥ α (задача п. 7.3).

Если а проходит через А, то она искомая прямая. Если это не так, то проведём через А прямую b||а. По теореме о параллели к перпендикуляру b ⊥ α. Итак, мы построили прямую, проходящую через точку А и перпендикулярную α.

Рис. 87

Докажем, что такая прямая единственная. Допустим, что через точку А проходят две прямые р и q, перпендикулярные α. Проведём через них плоскость β (рис. 87, б). Эта плоскость пересекает плоскость α по некоторой прямой с. Так как р ⊥ α и q ⊥ α, то прямые р и q перпендикулярны прямой с. Получилось, что через точку А в плоскости β проходят две прямые р и q, перпендикулярные с. Из планиметрии известно, что это невозможно. Значит, через точку А проходит лишь одна прямая, перпендикулярная плоскости α.

9.2. Теорема о плоскости, перпендикулярной прямой

Изучение перпендикулярности прямой и плоскости мы завершим следующей теоремой:

Доказательство. Пусть заданы прямая а и точка А. Возможны два случая:

Точка А лежит на прямой а (рис. 88, а). Этот случай уже рассматривали в п. 6.2. Напомним, что плоскостью, проходящей через точку А и перпендикулярной прямой а, является плоскость перпендикуляров к прямой а в точке А. Такая плоскость единственна.
Точка А не лежит на прямой а (рис. 88, б). В этом случае проведём через точку А прямую Ъ, которая пересекает прямую а в некоторой точке Б и перпендикулярна прямой а. Через точку В проведём плоскость а, перпендикулярную прямой а. Она является плоскостью перпендикуляров к а в точке В> а потому содержит прямую Ь. Но тогда а проходит через точку А. Итак, мы построили плоскость α, проходящую через точку А и перпендикулярную прямой а. Такая плоскость единственна (докажите это сами).

Рис. 88

Вопросы для самоконтроля

Существование каких объектов доказано в этом параграфе?
Через точку А проведены плоскость α, перпендикулярная прямой а, и прямая Ь, перпендикулярная той же прямой. Как расположены прямая b и плоскость α?

На этом уроке мы рассмотрим и докажем теорему о единственной прямой, перпендикулярной плоскости.
В начале урока сформулируем изучаемую теорему о существовании единственной прямой, проходящей через данную точку и перпендикулярной к данной плоскости. Для ее доказательства вначале рассмотрим и докажем утверждение о существовании плоскости, перпендикулярной к данной прямой. После доказательства теоремы мы рассмотрим несколько задач-следствий на изучаемую тему.

Тема: Перпендикулярность прямой и плоскости

Урок: Теорема о прямой, перпендикулярной к плоскости

На этом уроке мы рассмотрим и докажем теорему о единственной прямой, перпендикулярной плоскости .

Утверждение

Через любую точку пространства проходит плоскость, перпендикулярная к данной прямой.

Доказательство (см. рис. 1)

Пусть нам дана прямая а и точка М . Докажем, что существует плоскость γ, которая проходит через точку М и которая перпендикулярна прямой а .

Через прямую а проведем плоскости α и β так, что точка М принадлежит плоскости α. Плоскости α и β пересекаются по прямой а . В плоскости α через точку М проведем перпендикуляр MN (или р ) к прямой а, . В плоскости β из точки N восстановим перпендикуляр q к прямой а . Прямые р и q пересекаются, пусть через них проходит плоскость γ. Получаем, что прямая а перпендикулярна двум пересекающимся прямым р и q из плоскости γ. Значит, по признаку перпендикулярности прямой и плоскости, прямая а перпендикулярна плоскости γ.

Теорема

Через любую точку пространства проходит прямая, перпендикулярная к данной плоскости, и притом только одна.

Доказательство .

Пусть дана плоскость α и точка М (см. рис. 2). Нужно доказать, что через точку М проходит единственная прямая с , перпендикулярная плоскости α .

Проведем прямую а в плоскости α (см. рис. 3). Согласно доказанному выше утверждению, через точку М можно провести плоскость γ перпендикулярную прямой а . Пусть прямая b - линия пересечения плоскостей α и γ.

В плоскости γ через точку М проведем прямую с , перпендикулярную прямой b .

Прямая с перпендикулярна b по построению, прямая с перпендикулярна а (так как прямая а перпендикулярна плоскости γ, а значит, и прямой с, лежащей в плоскости γ). Получаем, что прямая с перпендикулярна двум пересекающимся прямым из плоскости α. Значит, по признаку перпендикулярности прямой и плоскости, прямая с перпендикулярна плоскости α. Докажем, что такая прямая с единственная.

Предположим, что существует прямая с 1 , проходящая через точку М и перпендикулярная плоскости α. Получаем, что прямые с и с 1 перпендикулярны плоскости α. Значит, прямые с и с 1 параллельны. Но по построению прямые с и с 1 пересекаются в точке М . Получили противоречие. Значит, существует единственная прямая, проходящая через точку М и перпендикулярная плоскости α, что и требовалось доказать.

Докажите, что если две плоскости α и β перпендикулярны к прямой а , то они параллельны.

Доказательство:

Проведем прямую с параллельно прямой а . По лемме, если одна из двух параллельных прямых пересекает плоскость, то и другая прямая тоже пересекает плоскость. Прямая а пересекает плоскости α и β по условию. Значит прямая с пересекает плоскость α в некоторой точке А и плоскость β в точке В.

Прямая а перпендикулярна плоскостям α и β, а значит и параллельная ей прямая с перпендикулярна плоскостям α и β.

Предположим, что плоскости α и β пересекаются. Точка М - общая точка плоскостей α и β. Но тогда в треугольнике АМВ угол МАВ равен 90° и угол АВМ равен 90°, что невозможно. Значит, предположение о том, что плоскости α и β пересекаются было неверным. Значит, плоскости α и β параллельны.

Докажите, что через любую точку пространства проходит только одна плоскость, перпендикулярная данной прямой.

Доказательство :

Пусть дана прямая а и точка М . Согласно утверждению, существует плоскость γ, проходящая через точку М , перпендикулярная прямой а . Докажем ее единственность.

Предположим, что существует плоскость γ 1 , проходящая через точку М , перпендикулярная прямой а . Две плоскости γ и γ 1 перпендикулярны одной и той же прямой а, а значит, плоскости γ и γ 1 параллельны (как мы доказали в задаче 1). Но точка М принадлежит и плоскости γ и γ 1 . Получили противоречие. Значит, через любую точку пространства проходит только одна плоскость, перпендикулярная данной прямой а , что и требовалось доказать.

Итак, мы доказали теорему о прямой, перпендикулярной к плоскости. На следующем уроке мы рассмотрим решение задач с такими прямыми.

1. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) / И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. - 5-е издание, исправленное и дополненное - М. : Мнемозина, 2008. - 288 с. : ил.

2. Геометрия. 10-11 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / Шарыгин И. Ф. - М.: Дрофа, 1999. - 208 с.: ил.

3. Геометрия. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений с углубленным и профильным изучением математики /Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. - 6-е издание, стереотип. - М. : Дрофа, 008. - 233 с. :ил.

Задания 15, 16, 17 стр. 58

2. Верно ли утверждение, что прямая перпендикулярна лежащим в этой плоскости:

а) двум сторонам треугольника

б) двум сторонам трапеции

в) двум диаметрам круга.

3. Докажите, что через любую точку прямой в пространстве можно провести две различные перпендикулярные ей прямые.

4. Прямые а, b , с лежат в плоскости α. Прямая m перпендикулярна прямым а и b , но не перпендикулярна с . Каково взаимное расположение прямых а и b ?

Признак перпендикулярности прямой и плоскости Теорема. Если прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым, лежащим в плоскости, то она перпендикулярна к этой плоскости.

Теорема. Через любую точку пространства проходит прямая, перпендикулярная к данной плоскости и притом только одна. Доказательство. Построение. 1. 2. 3. 1. 2. () 4. , 5. 6. , 3. 4. , Допустим, . , . Допущение неверно, единственная прямая перпендикулярная к. Что и требовалось доказать.

Через любую точку пространства проходит плоскость, перпендикулярная к данной прямой и притом только одна. Через любую точку пространства проходит прямая, перпендикулярная к данной плоскости и притом только одна.

Задача. квадрат, точка пересечения диагоналей. . Доказать: а) ; б). Доказательство. Что и требовалось доказать. 1. 2. (свойство диагоналей квадрата) 3. , 4. 5. 6.

Задача. Доказать, что если одна из двух параллельных плоскостей перпендикулярна к прямой, то и другая плоскость перпендикулярна к этой прямой. Доказательство. Что и требовалось доказать. , 1. , 2. , 3. 4. , 5. 6. , 7. , 8. 9.

Задача. Доказать, что если две плоскости перпендикулярны к одной прямой, то данные плоскости параллельны. Доказательство. Что и требовалось доказать. 1. 2. 3. , 4. Допустим: , . В!? Допущение неверно. 5. ,

Теорема о прямой перпендикулярной к плоскости Теорема. Через любую точку пространства проходит прямая, перпендикулярная к данной плоскости и притом только одна. Если одна из двух параллельных плоскостей перпендикулярна к прямой, то и другая плоскость перпендикулярна к этой прямой. Если две плоскости перпендикулярны к одной прямой, то данные плоскости параллельны.