Параллельность и перпендикулярность в пространстве
Пункт а) задания 15 часто просит доказать, что прямые или плоскости параллельны или перпендикулярны. Такое утверждение доказывают по признаку: находят в фигуре прямые, которые признак требует, и доказывают нужное для них фактами планиметрии. Теорема о трёх перпендикулярах связывает наклонную и её проекцию. Пункт б) можно решать с опорой на утверждение а), даже если а) не доказан.
Доказывайте по признаку
Утверждение о прямых и плоскостях в пространстве сводят к признаку. Признак требует одну или две прямые в плоскости, а для них работает планиметрия.
- Две прямые, параллельные третьей прямой, параллельны.
- Прямая параллельна плоскости, если она не лежит в плоскости и параллельна какой-нибудь прямой этой плоскости.
- Две плоскости параллельны, если две пересекающиеся прямые одной плоскости параллельны двум прямым другой.
- Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна двум пересекающимся прямым этой плоскости. Тогда она перпендикулярна любой прямой этой плоскости.
- Теорема о трёх перпендикулярах: прямая плоскости, проведённая через основание наклонной, перпендикулярна наклонной тогда и только тогда, когда она перпендикулярна проекции наклонной.
- Плоскости перпендикулярны, если одна из них проходит через прямую, перпендикулярную другой.
- Метод: назовите признак, найдите прямые, которые он требует, и докажите для них нужное: средняя линия, равные отношения отрезков, медиана равнобедренного треугольника, обратная теорема Пифагора.
Параллельные прямые: третья прямая и средняя линия
Две прямые в пространстве параллельны, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются. Прямые, которые не лежат в одной плоскости, называют скрещивающимися. Две прямые, параллельные третьей прямой, параллельны, даже если все три прямые не лежат в одной плоскости.
Параллельность внутри одной грани или сечения дают факты планиметрии. Средняя линия треугольника параллельна его стороне. Противоположные стороны параллелограмма параллельны. Отрезок, который делит две стороны треугольника в одном отношении от общей вершины, отсекает подобный треугольник и параллелен третьей стороне.
Пример
В правильной шестиугольной пирамиде точки и — середины боковых рёбер и соответственно. а) Докажите, что прямые и параллельны. б) Найдите объём пирамиды , если , а угол между плоскостью и плоскостью основания пирамиды равен . (Демонстрационный вариант ЕГЭ 2027.)
- 1.а) В правильном шестиугольнике , где — центр. Значит, — ромб и . Точки , , лежат на одной диагонали, поэтому .
- 2. — средняя линия треугольника , поэтому .
- 3.Прямые и параллельны прямой , поэтому .
- 4.б) — ромб, его диагонали и перпендикулярны и пересекаются в середине отрезка . — средняя линия треугольника , поэтому . Прямая, параллельная перпендикуляру к плоскости, тоже перпендикулярна ей: — высота пирамиды .
- 5.Центр описанной окружности треугольника лежит на стороне , поэтому (угол на диаметр). Прямая перпендикулярна прямым и , значит, она перпендикулярна плоскости и прямой .
- 6.Плоскости и пересекаются по прямой , а и . Поэтому — линейный угол между плоскостями, он равен .
- 7., , .
- 8..
- 9..
Ответ: б)
Прямая, параллельная плоскости
Признак: если прямая не лежит в плоскости и параллельна какой-нибудь прямой этой плоскости, то . Прямую ищите в грани или в сечении, которое содержит : часто это средняя линия или отрезок, который делит стороны треугольника в равном отношении.
Свойство: если , то любая плоскость, которая проходит через и пересекает , пересекает её по прямой, параллельной . Это свойство строит сечение, параллельное прямой.
Через точку проходит ровно одна плоскость, параллельная двум данным непараллельным прямым. Её задают две пересекающиеся прямые через эту точку, параллельные данным прямым. Поэтому плоскость, о которой известно, что она проходит через точку параллельно двум прямым, совпадает с любой плоскостью, построенной так же.
Пример задания
Открытый банк ФИПИ
В правильной четырёхугольной пирамиде с основанием точка - центр основания пирамиды, точка - середина ребра точка делит ребро в отношении а и
а) Докажите, что плоскость параллельна прямой
б) Найдите длину отрезка, по которому плоскость пересекает грань
Параллельные плоскости
Признак: если две пересекающиеся прямые одной плоскости соответственно параллельны двум прямым другой плоскости, то плоскости параллельны. Одной пары параллельных прямых мало: плоскости, которые проходят через две параллельные прямые, могут пересекаться.
Свойство: если две параллельные плоскости пересечены третьей плоскостью, то линии пересечения параллельны. Поэтому сечение пересекает противоположные грани призмы или параллелепипеда по параллельным отрезкам.
Пример
Докажите, что в кубе плоскости и параллельны.
- 1. — параллелограмм: отрезки и равны и параллельны. Поэтому .
- 2. — параллелограмм: отрезки и равны и параллельны. Поэтому .
- 3.Пересекающиеся прямые и плоскости параллельны прямым и плоскости . По признаку плоскости параллельны.
Прямая, перпендикулярная плоскости
Признак: если прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым плоскости, то она перпендикулярна этой плоскости. Обратно, прямая, перпендикулярная плоскости, перпендикулярна любой прямой этой плоскости. Одной прямой мало: прямая может быть перпендикулярна одной прямой плоскости и при этом наклонна к плоскости.
Так доказывают, что скрещивающиеся прямые и перпендикулярны: найдите плоскость через , в которой есть две пересекающиеся прямые, перпендикулярные . Часто это медианы двух равнобедренных треугольников с общим основанием на прямой : медиана к основанию — высота.
Боковое ребро прямой призмы, образующая цилиндра и высота пирамиды перпендикулярны основанию. Поэтому они перпендикулярны любой прямой в плоскости основания. Прямая, параллельная перпендикуляру к плоскости, тоже перпендикулярна этой плоскости.
Наклонные, проведённые из одной точки к плоскости, равны тогда и только тогда, когда равны их проекции: это прямоугольные треугольники с общим катетом — перпендикуляром (теорема Пифагора). Поэтому если боковые рёбра пирамиды равны, то основание её высоты — центр окружности, описанной около основания. Точки, равноудалённые от концов отрезка , образуют плоскость, которая проходит через середину перпендикулярно ему.
Пример задания
Открытый банк ФИПИ
В треугольной пирамиде c основанием известно, что Основанием высоты этой пирамиды является точка Прямые и перпендикулярны.
a) Докажите, что треугольник прямоугольный.
б) Найдите объём пирамиды
Теорема о трёх перпендикулярах
Пусть — перпендикуляр к плоскости , — наклонная, — её проекция на , а прямая лежит в и проходит через . Теорема: если , то . Обратная теорема: если , то .
Почему это верно: , потому что перпендикулярна плоскости . Если ещё , то перпендикулярна плоскости и любой её прямой, в том числе .
Теорему применяют, когда известна проекция наклонной: перпендикуляр из точки ребра на основание падает в известную точку . Проведите в основании , тогда по теореме . Так строят линейный угол между плоскостями (угол ) и расстояние от точки до прямой (отрезок ).
Прямая l перпендикулярна проекции и наклонной одновременно
Пример задания
Открытый банк ФИПИ
В основании прямой треугольной призмы лежит равнобедренный треугольник Точка - середина ребра а точка делит ребро в отношении
а) Докажите, что
б) Найдите угол между прямой и плоскостью если и
Перпендикулярные плоскости
Признак: если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную другой плоскости, то плоскости перпендикулярны. Чтобы доказать , найдите в плоскости перпендикуляр к .
Перпендикуляр к основанию часто получают из высоты пирамиды: если одна из двух параллельных прямых перпендикулярна плоскости, то и другая перпендикулярна ей. Отрезок , параллельный высоте , находят по равным отношениям : тогда треугольники и подобны.
Свойство: если плоскости перпендикулярны, то прямая одной плоскости, перпендикулярная линии их пересечения, перпендикулярна другой плоскости. Через прямую, которая не перпендикулярна плоскости, проходит ровно одна плоскость, перпендикулярная этой плоскости.
Пример задания
Открытый банк ФИПИ
В правильной треугольной пирамиде сторона основания равна 6, а боковое ребро равно На ребрах и отмечены точки и соответственно, причем
а) Докажите, что плоскость перпендикулярна плоскости
б) Найдите объем пирамиды
Как записать доказательство в пункте а)
Каждый шаг — факт и его причина: «, так как — средняя линия треугольника ». Назовите признак и проверьте его условия: прямые пересекаются, прямая не лежит в плоскости. Утверждение без причины эксперт не засчитывает.
Утверждение а) часто доказывают вычислением. Равные отношения отрезков дают параллельные прямые. Если квадраты сторон треугольника связаны равенством , то угол против стороны прямой (обратная теорема Пифагора).
За задание 15 ставят до 3 баллов. Обоснованный верный ответ в пункте б) без доказательства а) даёт 2 балла. Верный ответ в б), который опирается на недоказанное утверждение а), даёт 1 балл. Поэтому решайте б), даже если не доказали а): пользуйтесь утверждением а) и пишите «по пункту а)».
Пример
В основании пирамиды лежит квадрат со стороной 3. Известно, что , . а) Докажите, что ребро перпендикулярно плоскости основания. б) Найдите объём пирамиды.
- 1.а) Треугольник : . По обратной теореме Пифагора , то есть .
- 2.Треугольник : , поэтому .
- 3.Прямые и пересекаются и лежат в плоскости основания. По признаку .
- 4.б) По пункту а) — высота пирамиды. .
Ответ: б)
Проверьте себя
00