Определение. Прямая пересекающая плоскость, называется перпендикулярной этой плоскости, если она перпендикулярна любой прямой, которая лежит в данной плоскости и проходит через точку пересечения.
Признак перпендикулярности прямой и плоскости. Если прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым плоскости, то она перпендикулярна данной плоскости.
Доказательство. Пусть а – прямая перпендикулярная прямым b и с , принадлежащим плоскости a . А – точка пересечения прямых. В плоскости a через точку А проведем прямую d , не совпадающую с прямыми b и с . Теперь в плоскости a проведем прямую k , пересекающую прямые d и с и не проходящую через точку А. Точки пересечения соответственно D, В и С. Отложим на прямой а в разные стороны от точки А равные отрезки АА 1 и АА 2 . Треугольник А 1 СА 2 равнобедренный, т.к. высота АС является так же и медианой (признак 1), т.е. А 1 С=СА 2 . Подобно в треугольнике А 1 ВА 2 равны стороны А 1 В и ВА 2 . Следолвательно, треугольники А 1 ВС и А 2 ВС равны по третьему признаку Поэтому равны углы А 1 ВD и А 2 ВD. Значит, равны и треугольники А 1 ВD и А 2 ВD по первому признаку . Поэтому А 1 D и А 2 D. Отсюда треугольник А 1 DА 2 равнобедренный по определению. В равнобедренном треугольнике А 1 D А 2 D А – медиана (по построению), а значит и высота, то есть угол А 1 АD прямой, а значит прямая а перпендикулярна прямой d . Таким образом можно доказать, что прямая а перпендикулярна любой прямой проходящей через точку А и принадлежащей плоскости a . Из определения следует, что прямая а перпендикулярна плоскости a .

Построение прямой перпендикулярной данной плоскости из точки, взятой вне этой плоскости.
Пусть a - плоскость, А – точка, из которой надо опустить перпендикуляр. В плоскости проведем некоторую прямую а . Через точку А и прямую а проведем плоскость b (прямая и точка определяют плоскость, причем только одну). В плоскости b из точки А опустим на прямую а перпендикуляр АВ. Из точки В в плоскости a восстановим перпендикуляр и обозначим прямую, на которой лежит этот перпендикуляр за с . Через отрезок АВ и прямую с проведем плоскость g (две пересекающиеся прямые определяют плоскость, причем только одну). В плоскости g из точки А опустим на прямую с перпендикуляр АС. Докажем, что отрезок АС – перпендикуляр к плоскости b . Доказательство. Прямая а перпендикулярна прямым с и АВ (по построению), а значит она перпендикулярна и самой плоскости g , в которой лежат эти две пересекающиеся прямые (по признаку перпендикулярности прямой и плоскости). А раз она перпендикулярна этой плоскости, то она перпендикулярна и любой прямой в этой плоскости, значит прямая а перпендикулярна АС. Прямая АС перпендикулярна двум прямым, лежащим в плоскости α : с (по построению) и а (по доказанному), значит она перпендикулярна плоскости α (по признаку перпендикулярности прямой и плоскости)

Теорема 1 . Если две пересекающиеся прямые параллельны соответственно двум перпендикулярным прямым, то они тоже перпендикулярны.
Доказательство. Пусть а и b - перпендикулярные прямые, а 1 и b 1 - параллельные им пересекающиеся прямые. Докажем, что прямые а 1 и b 1 перпендикулярны.
Если прямые а , b , а 1 и b 1 лежат в одной плоскости, то они обладают указанным в теореме свойством, как это известно из планиметрии.
Допустим теперь, что наши прямые не лежат в одной плоскости. Тогда прямые а и b лежат в некоторой плоскости α , а прямые а 1 и b 1 - в некоторой плоскости β . По признаку параллельности плоскостей плоскости α и β параллельны. Пусть С - точка пересечения прямых а и b , а С 1 - пересечения прямых а 1 и b 1 . Проведем в плоскости параллельных прямых а и а а и а 1 в точках А и А 1 . В плоскости параллельных прямых b и b 1 прямую, параллельную прямой СС 1 . Она пересечет прямые b и b 1 в точках B и B 1 .
Четырехугольники САА 1 С 1 и СВВ 1 С 1 - параллелограммы, так как у них противолежащие стороны параллельны. Четырехугольник АВВ 1 А 1 также параллелограмм. У него стороны АА 1 и ВВ 1 параллельны, потому что каждая из них параллельна прямой СС 1 .Таким образом четырехугольник лежит в плоскости, проходящей через параллельные прямые АА 1 и ВВ 1 . А она пересекает параллельные плоскости α и β по параллельным прямые АВ и А 1 В 1 .
Так как у параллелограмма противолежащие стороны равны, то АВ=А 1 В 1 , АС=А 1 С 1 , ВС=В 1 С 1 . По третьему признаку равенства треугольники АВС и А 1 В 1 С 1 равны. Итак, угол А 1 С 1 В 1 , равный углу АСВ, прямой, т.е. прямые а 1 и b 1 перпендикулярны. Ч.т.д.

Свойства перпендикулярных прямой и плоскости.
Теорема 2 . Если плоскость перпендикулярна одной из двух параллельных прямых, то она перпендикулярна и другой.
Доказательство. Пусть а 1 и а 2 - две параллельные прямые и α - плоскость, перпендикулярна прямой а 1 . Докажем, что эта плоскость перпендикулярна и прямой а 2 .
Проведем через точку А 2 пересечения прямой а 2 с плоскостью α произвольную прямую с 2 в плоскости α . Проведем в плоскости α через точку А 1 пересечения прямой а 1 с плоскостью α прямую с 1 , параллельную прямой с 2 . Так как прямая а 1 перпендикулярна плоскости α , то прямые а 1 и с 1 перпендикулярны. А по теореме 1 параллельные им пересекающиеся прямые а 2 и с 2 тоже перпендикулярны. Таким образом, прямая а 2 перпендикулярна любой прямой с 2 в плоскости α . А это значит, что прямая а 2 перпендикулярна плоскости α . Теорема доказана.

Теорема 3 . Две прямые, перпендикулярные одной и той же плоскости, параллельны между собой.
Имеем плоскость α и две перпендикулярные ей прямые а и b . Докажем, что а || b .
Через точки пересечения прямыми плоскости проведем прямую с . По признаку получаем а ^ c и b ^ c . Через прямые а и b проведем плоскость (две параллельные прямые определяют плоскость и притом только одну). В этой плоскости мы имеем два параллельные прямые а и b и секущую с . Если сумма внутренних односторонних углов равна 180 о, то прямые параллельны. У нас как раз такой случай - два прямых угла. Поэтому а || b .

ГЕОМЕТРИЯ
Планы-конспекты уроков для 10 классов

Тема. Свойства прямой и плоскости, перпендикулярных между собой

Цель урока: формирование знаний учащихся о свойства перпендикулярных прямых и плоскостей.

Оборудование: стереометрический набор, схема «Свойства прямо и плоскости, перпендикулярных между собой» (с. 116).

Ход урока

И. Проверка домашнего задания

1. Коллективное обсуждение решения задачи № 10.

2. Математический диктант.

Дано изображение куба: вариант 1 - рис. 151, вариант 2 - рис. 152.

Пользуясь изображением, запишите:

1) плоскость, которая проходит через точку М прямой AM и перпендикулярна к ней; (2 балла)

2) прямую, которая перпендикулярна к плоскости АВС и проходит через точку D; (2 балла)

3) прямую, которая перпендикулярна к плоскости АВС и проходит через точку N; (2 балла)

4) плоскость, которая перпендикулярна к прямой BD; (2 балла)

5) прямые, перпендикулярные к плоскости АМС; (2 балла)

6) плоскости, которые перпендикулярны к прямой DC. (2 балла)

Вариант 1. 1) (MNK); 2) KD; 3) BN; 4) (АСМ); 5) BD и KN; 6) (ADK) и (BCL).

Вариант 2. 1) (MNK); 2) DL; 3) CN; 4) (АСМ); 5) BD i KL; 6) (BCN) и (ADM).

II. Восприятие и осознание нового материала

Свойства прямой и плоскости, перпендикулярных между собой

Теорема 1.

Если плоскость перпендикулярна одной из двух параллельных прямых, то она перпендикулярна и ко второй.

Доведение

Пусть а1 || а2 и a1α. Докажем, что αа2 (рис. 153). Точки А1 и А2 - точки пересечения а1 и а2 с плоскостью α.

В плоскости α через точку А2 проведем произвольную прямую х2, а через точку А1 - прямую х1 такое, что х1 || х2. Поскольку a1 || a2, x1 || x2 и а1х1, то по теореме 3.1 а2х2. Поскольку х2 выбрана произвольно в плоскости α, то а2α.

Теорема 2.

Если две прямые перпендикулярны к одной и той же плоскости, то данные прямые параллельны.

Доведение

Пусть aα, b α . Докажем, что а || b (рис. 154). Предположим, что аb . Тогда через точку С прямой b проведем b 1 , параллельную а. А посколькуα , то и b1α по доказанной теореме, а по условию bα . Если точки А и В - точки пересечения прямых b 1 и b с плоскостью α , то из предположения следует, что в треугольнике A = В = 90°, что не может быть. Следовательно, а || b.

Решение задач

1. Определите вид четырехугольника AA 1B 1B если:

а) АА1α ; АА1 || ВВ1; Аα , Вα ; AA 1 ≠ ВВ1 (рис. 155);

б) АА1α ; ВВ1α ; α , Вα (рис. 156);

в) α ; α ; АА1α ; ВВ1α ; АА1 = ВВ1 (рис. 156).

2. Задача № 12 из учебника (с. 35).

3. Задача № 13 из учебника (с. 35).

4. Задача № 16 из учебника (с. 35).

Теорема 3.

Если прямая перпендикулярна к одной из двух параллельных плоскостей, то она перпендикулярна и ко второй.

Доведение

Пусть α || β , аα . Докажем, что α β . (рис. 157). Пусть точки А и В - точки пересечения прямой а с плоскостями α и β . В плоскости β проведем через точку В произвольную прямую b . Через прямую b и точку А проведем плоскость γ , которая пересекает α по прямой с, причем с || b . А посколькуα , то ас (по определению прямой, перпендикулярной к плоскости). Так ас, b || с и а, b , с лежат в γ , то аb . Учитывая, что b - произвольная прямая плоскости β , имеем аβ .

Теорема 4.

Если две плоскости, перпендикулярные к одной и той же прямой, то они параллельны.

Доведение

Пусть α а β а, докажем, что α || β (рис. 158). Пусть точки А и В - точки пересечения прямой а с плоскостями α и β . Предположим, что α β . Возьмем точку С на прямой пересечения плоскостей α и β . Са, ибо в противном случае через точку С проходили бы две различные плоскости α и β , перпендикулярные к прямой а, что невозможно. Проведем плоскость γ через точку С и прямую а, эта плоскость пересекает α и β по прямым АС и ВС соответственно. А посколькуα , то аАС, аналогично аВС. Следовательно, в плоскости α через точку С проходят две различные прямые АС и ВС, перпендикулярные к прямой а, что невозможно. Следовательно, α || β .

Решение задач

1. Пусть ABCD - прямоугольник, BSАВ, AMАВ (рис. 159). Как расположены плоскости AMD и BSC?

2. В1β ; АА1α , АА1β ; B В1 || АА1; АА1 = 12 cm, A1B = 13 см (рис. 160). Найти АВ.

Мы постоянно видим, что перпендикуляры к одной и той же плоскости параллельны. Например, вертикальные отрезки параллельны между собой. Эти отрезки могут представляться параллельно стоящими столбами или мачтами, стволами стройных сосен в корабельном лесу, колоннами зданий музея (рис. 84) или вертикальными опорами моста и т. д.

Рис. 84

Эта изящная геометрия выражается в теореме, которую мы сейчас докажем.

8.1 Параллельность прямых, перпендикулярных одной плоскости

Доказательство. Пусть две прямые а и b перпендикулярны плоскости а и пересекают её соответственно в точках А и В (рис. 85). Проведём через прямую а и точку В плоскость р и покажем, что прямая b также лежит в плоскости β.

Рис. 85

В плоскости а возьмём отрезок MN, перпендикулярный отрезку АВ и имеющий точку А своей серединой. Так как AM = AN и АВ ⊥ MN, то ВМ = BN.

Возьмём на прямой b любую точку С ≠ В и проведём отрезки СA, CM, CN. Поскольку b ⊥ a, то треугольники СВМ и CBN прямоугольные. Они равны, так как имеют общий катет СВ и равные катеты ВМ и BN. Поэтому CM = CN, т. е. треугольник CMN равнобедренный. Его медиана СА является также его высотой, т. е. СA ⊥ MN.

Итак, три прямые, проходящие через точку А, - АС, АВ и а - перпендикулярны прямой MN. По теореме о плоскости перпендикуляров (п. 7.2) они лежат в одной плоскости - плоскости β, которая проходит через прямые АВ и а.

Поскольку прямая АС лежит в плоскости β, то точка С ∈ β. Значит, прямая b лежит в плоскости β (как и прямая а). Но в плоскости β прямые а и b перпендикулярны одной и той же прямой АВ (так как a ⊥ α, то b ⊥ α и прямая АВ лежит в α). Поэтому b||а.

Доказанная теорема является признаком параллельности прямых в пространстве.

8.2 Параллель к перпендикуляру

В этом пункте мы докажем теорему, обратную теореме о параллельности перпендикуляров.

Доказательство. Пусть две прямые а и b параллельны и а перпендикулярна плоскости а (рис. 86). Прямая b пересекает плоскость α в некоторой точке В (по лемме пункта 3.3). Имеются две возможности:

1. b ⊥ α;
2. b не перпендикулярна α.

Рис. 86

Предположим, что выполняется вторая. Тогда проведём через точку В прямую с ⊥ α (задача п. 7.3). По теореме о параллельности перпендикуляров с||α. Получилось, что через точку В проходят две прямые, параллельные прямой а, что невозможно.

Итак, b ⊥ α.

Теорема о параллели к перпендикуляру является ещё одним признаком перпендикулярности прямой и плоскости.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие признаки параллельности прямых вы узнали?
2. Какие признаки перпендикулярности прямой и плоскости вам известны теперь?

Видеоурок 2: Теорема о трех перпендикулярах. Теория

Видеоурок 3: Теорема о трех перпендикулярах. Задача

Лекция: Перпендикулярность прямой и плоскости, признаки и свойства; перпендикуляр и наклонная; теорема о трёх перпендикулярах

Перпендикулярность прямой и плоскости

Давайте вспомним, что такое вообще перпендикулярность прямых. Перпендикулярны те прямые, которые пересекаются под углом, равным 90 градусов. При этом угол между ними может быть, как в случае пересечения в некоторой точке, так и в случае скрещивания. Если некоторые прямые скрещиваются под прямым углом, то их тоже можно назвать перпендикулярными прямыми в том случае, если благодаря параллельному переносу прямая переносится в точку на второй прямой.

Определение: Если же прямая перпендикулярная любой прямой, которая принадлежит плоскости, то её можно считать перпендикулярной к этой плоскости.

Признак: Если на некоторой плоскости имеются две перпендикулярные прямые и некоторая третья прямая перпендикулярна каждой из них, то эта третья прямая перпендикулярна плоскости.

Свойства:

• Если некоторые прямые перпендикулярны одной плоскости, то они взаимно параллельны друг другу.

• Если имеются две параллельных плоскости, а так же некоторая прямая, которая перпендикулярна одной из плоскостей, то она перпендикулярна и второй.
• Так же можно и высказать обратное утверждение: если некоторая прямая перпендикулярна двум различным плоскостям, то такие плоскости обязательно параллельны.

Наклонная

Если некоторая прямая соединяет произвольную точку, которая не лежит на плоскости с любой точкой плоскости, то такая прямая будет называется наклонной .

Обратите внимание, наклонная она только в том случае, если угол между ней и плоскостью не 90 градусов.

На рисунке АВ – это наклонная к плоскости α. При этом точка В называется основанием наклонной.

Если же провести отрезок из точки А к плоскости, который будет составлять угол 90 градусов с плоскостью, то этот отрезок будет называться перпендикуляром. Перпендикуляром еще называют наименьшее расстояние до плоскости.

АС – перпендикуляр, проведенный из точки А к плоскости α. При этом точка С называется основанием перпендикуляра.

Если же на данном чертеже провести отрезок, который будет соединять основание перпендикуляра (С) с основанием наклонной (В), то полученный отрезок будет называться проекцией .

В результате несложных построений мы получили прямоугольный треугольник. В данном треугольнике угол АВС называется углом между наклонной и проекцией.

Теорема о трёх перпендикулярах