Если прямая перпендикулярна двум прямым. Перпендикулярность прямых в пространстве

Закрепим понятие перпендикулярности прямой и плоскости конспектом урока. Предоставим общее определение, сформулируем и приведём доказательства теоремы и решим несколько задач на закрепление материала.

Из курса геометрии известно: две прямые считаются перпендикулярными, когда они пересекаются под углом 90 о.

Вконтакте

Одноклассники

Теоретическая часть

Переходя к исследованию характеристик пространственных фигур, будем применять новое понятие.

Определение:

прямая будет называться перпендикулярной плоскости, когда она перпендикулярна прямой на поверхности, произвольно проходящей через точку пересечения.

Иначе говоря, если отрезок «АВ» перпендикулярен плоскости α, тогда угол пересечения со всяким отрезком, проведённым по данной поверхности через «С» точку прохождения «АВ» через плоскость α, будет 90 о.

Из вышесказанного вытекает теорема о признаке перпендикулярности прямой и плоскости:

в случае если прямая, проведённая через плоскость, будет перпендикулярна двум прямым, проведённым на плоскости через точку пересечения, то она перпендикулярна целой плоскости.

Говоря другими словами, если на рисунке 1 углы ACD и ACE равны 90 о, то и угол ACF тоже будет 90 о. Смотреть рисунок 3.

Доказательство

По условиям теоремы линия «а» проведена перпендикулярно линиям d и e. Иначе говоря, углы ACD и ACE равны 90 о. Приводить доказательства будем, исходя из свойств равенства треугольников. Смотреть рисунок 3.

Через точку C прохождения линии a через плоскость α прочертим линию f в произвольном направлении. Приведём доказательства, что она будет перпендикулярна отрезку AB или угол ACF будет 90 о.

На прямой a отложим отрезки одинаковой длины AC и AB. На поверхности α проведём линию x в произвольном направлении и не проходящую через место пересечения в точке «С». Линия «х» должна пересекать линии e, d и f.

Соединим прямыми точки F, D и E c точками A и B.

Рассмотрим два треугольника ACE и BCE. По условиям построения:

Имеются две одинаковые стороны AC и BC.
У них дна общая сторона CE.
Два равных угла ACE и BCE — по 90 о.

Следовательно, по условиям равенства треугольников, если имеем две равные стороны и одинаковый угол между ними, то эти треугольники равны. Из равенства треугольников следует, что стороны AE и BE равны.

Соответственно доказывается равенство треугольников ACD и BCD, иначе говоря, равенство сторон AD и BD.

Теперь рассмотрим два треугольника AED и BED. Из ранее доказанного равенства треугольников следует, что у этих фигур есть одинаковые стороны AE с BE и AD с BD. Одна сторона ED общая. Из условия равенства треугольников, определённых по трём сторонам, следует, что углы ADE и BDE равны.

Сумма углов ADE и ADF составляет 180 о. Сумма углов BDE и BDF также будет 180 о. Так как углы ADE и BDE равны, то и углы ADF и BDF равны.

Рассмотрим два треугольника ADF и BDF. Они имеют по две равных стороны AD и BD (доказано ранее), DF общую сторону и по равному углу между ними ADF и BDF. Следовательно, эти треугольники имеют одинаковые по длине стороны. То есть сторона BF имеет ту же длину, что и сторона AF.

Если рассматривать треугольник AFB, то он будет равнобедренный (AF равняется BF), а прямая FC является медианой, так как по условиям построения сторона AC равняется стороне BC. Следовательно, угол ACF равняется 90 о. Что и следовало доказать.

Важным следствием из приведённой теоремы будет утверждение:

если две параллельные пересекают плоскость и одна из них составляет угол 90 о, то и вторая походит через плоскость под углом 90 о.

По условиям задачи a и b являются параллельными. Смотреть рисунок 4. Линия a перпендикулярна поверхности α. Отсюда следует, что линия b будет также перпендикулярна поверхности α.

Для доказательства через две точки пересечения параллельных прямых с плоскостью проведём на поверхности прямую c . По теореме о прямой, перпендикулярной плоскости, угол DAB будет 90 о. Из свойств параллельных прямых следует, что угол ABF тоже будет 90 о. Следовательно, по определению прямая b будет перпендикулярна поверхности α.

Использование теоремы для решения задач

Для закрепления материала, используя основополагающие условия перпендикулярности прямой и плоскости, решим несколько задач.

Задача № 1

Условия. Из точки A построить перпендикулярную линию плоскости α. Смотреть рисунок 5.

На поверхности α проведём произвольную прямую b. Через прямую b и точку A построим поверхность β. Из точки A на линию b проведём отрезок AB. Из точки B на поверхности α проведём перпендикулярную линию c .

Из точки A на линию с опустим перпендикуляр AC. Докажем, что эта линия будет перпендикулярна плоскости.

Для доказательства через точку C на поверхности α проведём линиюd, параллельную b, и через линию c и точку A построим плоскость. Линия AC перпендикулярна линии c по условию построения и перпендикулярна линии d, как следствие о двух параллельных линиях из теоремы о перпендикулярности, так как по условию линияb перпендикулярна поверхности γ.

Следовательно, по определению перпендикулярности линии и плоскости, построенный отрезок AC перпендикулярен поверхности α.

Задача № 2

Условия. Отрезок АВ перпендикулярен плоскости α. Треугольник BDF расположен на поверхности α и имеет следующие параметры:

угол DBF будет 90 о
сторона BD =12 см;
сторона BF =16 см;
BC - медиана.

Смотреть рисунок 6.

Найти длину отрезка АС, если АВ = 24 см.

Решение. По теореме Пифагора, гипотенуза или сторона DF равна квадратному корню из суммы квадратов катетов. Длина BD в квадрате равна 144 и, соответственно, BC в квадрате будет 256. В сумме 400; извлекая квадратный корень, получаем 20.

Медиана BC в прямоугольном треугольнике делит гипотенузу на две равные части и по длине равна этим отрезкам, то есть ВС = DC = CF = 10.

Снова используется теорема Пифагора, и получаем: гипотенуза C = 26, что является квадратным корнем из 675, суммы квадратов катетов 576 (АВ = 24 в квадрате) и 100 (ВС = 10 в квадрате).

Ответ: Длина отрезка АС равняется 26 см.

На этом уроке мы рассмотрим перпендикулярность прямых в пространстве, перпендикулярность прямой и плоскости и параллельные прямые, которые перпендикулярны к плоскости.
Вначале дадим определение двух перпендикулярных прямых в пространстве и их обозначение. Рассмотрим и докажем лемму о параллельных прямых, перпендикулярных третьей прямой. Далее дадим определение прямой, перпендикулярной к плоскости, и рассмотрим свойство такой прямой, при этом вспомнив взаимное расположение прямой и плоскости. Далее докажем прямую и обратную теорему о двух параллельных прямых, перпендикулярных к плоскости.
В конце урока решим две задачи на перпендикулярность прямых в параллелепипеде и тетраэдре.

Тема: Перпендикулярность прямой и плоскости

Урок: Перпендикулярные прямые в пространстве. Параллельные прямые, перпендикулярные к плоскости

На этом уроке мы рассмотрим перпендикулярность прямых в пространстве, перпендикулярность прямой и плоскости и параллельные прямые, которые перпендикулярны к плоскости .

Определение . Две прямые называются перпендикулярными, если угол между ними равен 90°.

Обозначение . .

Рассмотрим прямые а и b . Прямые могут пересекаться, скрещиваться, быть параллельными. Для того, чтобы построить угол между ними нужно выбрать точку и через нее провест а, и прямую , параллельную прямойb . Прямые и пересекаются. Угол между ними и есть угол между прямыми а и b. Если угол равен 90°, то прямые а и b перпендикулярны.

Если одна из двух параллельных прямых перпендикулярна к третьей прямой, то и другая прямая перпендикулярна к этой прямой.

Доказательство :

Пусть даны две параллельные прямые а и b, и прямая с ,причем . Нужно доказать, что .

Возьмем произвольную точку М . Через точку М проведем прямую , параллельную прямой а и прямую , параллельную прямой c (рис. 2). Тогда угол АМС равен 90°.

Прямая b параллельна прямой а по условию, прямая параллельна прямой а по построению. Значит, прямые и b параллельны.

Имеем, прямые и b параллельны, прямые с и параллельны по построению. Значит, угол между прямыми b и с - это угол между прямыми и, то есть угол АМС , равный 90°. Значит, прямые b и с перпендикулярны, что и требовалось доказать.

Определение . Прямая называется перпендикулярной к плоскости, если она перпендикулярна к любой прямой, лежащей в этой плоскости.

Обозначение. .

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.

Задания 5, 6, 7 стр. 54

2. Дайте определение перпендикулярности прямых в пространстве.

3. Равные стороны АВ и CD четырехугольника ABCD перпендикулярны некоторой плоскости. Определите вид четырехугольника.

4. Сторона треугольника перпендикулярна некоторой прямой а. Докажите, что одна из средних линий треугольника перпендикулярна прямой а .

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель : знать, понимать и уметь применять признак перпендикулярности прямой и плоскости.

Задачи :

повторить определения перпендикулярности прямых, прямой и плоскости.
повторить утверждения о перпендикулярности параллельных прямых.
ознакомить с признаком перпендикулярности прямой и плоскости.
понимать необходимость применения признака перпендикулярности прямой и плоскости.
уметь находить данные позволяющие применять признак перпендикулярности прямой и плоскости.
тренировать внимательность, аккуратность, логическое мышление, пространственное воображение.
воспитывать чувство ответственности.

Оборудование: компьютер, проектор, экран.

План урока

1. Организационный момент. (сообщить тему, мотивация, сформулировать цель урока)

2. Повторение ранее изученного материала и теорем (актуализация прежних знаний учащихся: формулировки определений и теорем с последующим пояснением или применением на готовом чертеже).

3. Изучение нового материала как усвоение нового знания (формулировка, доказательство).

4. Первичное закрепление (фронтальная работа, самоконтроль).

5. Повторный контроль (работа с последующей взаимопроверкой).

6. Рефлексия.

7. Домашнее задание.

8. Подведение итогов.

Ход урока

1. Организационный момент

Cообщить тему урока (слайд 1): Признак перпендикулярности прямой и плоскости

Мотивация: на прошлом уроке мы дали определение прямой, перпендикулярной плоскости, но применять его не всегда удобно (слайд 2).

Формулирование цели: знать, понимать и уметь применять признак перпендикулярности прямой и плоскости (слайд 3)

2. Повторение раннее изученного материала

Учитель: Давайте вспомним, что мы уже знаем о перпендикулярности в пространстве.

Математический диктант с пошаговой самопроверкой.

Начертите в тетради куб ABCDA’B’C’D’.

Каждое задание предполагает устную формулировку и запись Вашего примера в тетради.

1. Сформулируйте определение перпендикулярных прямых.

Приведите пример на чертеже куба (слайд 4).

2. Сформулируйте лемму о перпендикулярности двух параллельных прямых к третьей.

Докажите, что АА’ перпендикулярна DС (слайд 5).

3. Cформулируйте определение прямой, перпендикулярной плоскости.

Назовите прямую, перпендикулярную плоскости основания куба. (слайд 6)

4. Сформулируйте теоремы устанавливающие связь между параллельностью прямых и их перпендикулярности к плоскости. (слайд 7)

5. Решите задачу №1. (слайд 8)

Найдите угол между прямыми FO и АВ, если ABCDA’B’C’D’ - куб, точка О - точка пересечения диагоналей основания, F - середина А’С.

6. Рассмотрение домашней задачи №119(слайд 9) (устно)

Рассмотреть разные варианты решения: через доказательство равенства прямоугольных треугольников и свойство равнобедренного треугольника.

Постановка проблемы

Рассмотреть истинность утверждения:

Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна какой-нибудь прямой, лежащей в этой плоскости.
Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна каким-нибудь параллельным прямым, лежащим в этой плоскости. (слайд 10-11)

3. Изучение нового материала

Ученики предлагают варианты признака.

Формулируется признак перпендикулярности прямой и плоскости (слайд 12).

Если прямая перпендикулярна к двум пересекающимся прямым, лежащим в плоскости, то она перпендикулярна этой плоскости.

Доказательство.

1 этап (слайд 13).

Пусть прямая а пересекает плоскость в точке пересечения прямых p и q. Проведем через точку О прямую, параллельную m и произвольную прямую, так чтобы она пересекала все три прямые в точках P, Q, L.

APQ = BPQ (слайд 14)

APL= BPL (слайд 15)

Медиана LO является высотой (слайд 16)

В силу произвольности выбора прямой m доказано, что прямая а перпендикулярна плоскости

2 этап (слайд 17)

Прямая а пересекает плоскости в точке отличной от точки О.

Проведем прямую a’, такую что a || a’, и проходящую через точку О,

а так как a’ a по ранее доказанному,

то и a a

Теорема доказана

4. Первичное закрепление.

Итак, для того, чтобы утверждать, что прямая перпендикулярна плоскости, достаточно какого условия?

Очевидно, что столб перпендикулярен и шпалам и рельсам. (слайд 18)

Решим задачу №128. (слайд 19) (работа по группам, если справляются сами, то доказательство проговаривается устно, для слабых учеников используется подсказка на экране)

5. Повторный контроль.

Установите истинность утверждений (ответ И (истина), Л (ложь).) (слайд 20)

Прямая а проходит через центр круга.

Можно ли утверждать, что прямая а перпендикулярна кругу, если

она перпендикулярна диаметру
двум радиусам
двум диаметрам

6. Рефлексия

Ученики рассказывают основные этапы урока: какая проблема возникла, какое решение (признак) был предложен.

Учитель делает замечание о проверке вертикальности при строительстве (слайд 21).

7. Домашнее задание

П.15-17 №124, 126 (слайд 23)

8. Подведение итогов

Какова тема нашего урока?
Какова была цель?
Цель достигнута?

Приложение

В презентации использованы чертежи, сделанные с помощью программы “Живая математика” представленные в приложении 1 .

Литература

Геометрия. 10-11 классы: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни/Л.С. Атанасян, В.Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др.
С.М. Саакян В.Ф. Бутузов Изучение геометрии в 10-11 классах: методические рекомендации к учеб.: кн. для учителя.
Т.В. Валаханович, В.В. Шлыков Дидактические материалы по геометрии: 11 класс: пособие для учителей общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12 летним сроком обучения (базовый и повышенный уровни) Мн.
Поурочные разработки по геометрии: 10 класс/ Сост. В.А. Яровенко.

Предварительные сведения о прямых

Понятие прямой, также как и понятие точки является основными понятиями геометрии. Как известно основные понятия не определяется. Это не является и исключением для понятия прямой. Поэтому рассмотрим суть этого понятия через его построение.

Возьмем линейку и, не отрывая карандаша, проведем линию произвольной длины. Полученную линию мы и будем называть прямой. Однако тут необходимо отметить, что это не вся прямая, а только её часть. Сама же прямая является бесконечной на обоих своих концах.

Прямые будем обозначать маленькой латинской буквой, либо двумя её точками в круглых скобках (рис. 1).

Понятия прямой и точки связаны тремя аксиомами геометрии:

Аксиома 1: Для каждой произвольной прямой существует как минимум две точки, которые на ней лежат.

Аксиома 2: Можно найти как минимум три точки, которые не будут лежать на одной и той же прямой.

Аксиома 3: Через 2 произвольные точки всегда проходит прямая, причем эта прямая единственна.

Для двух прямых актуально их взаимное расположение. Возможны три случая:

Две прямые совпадают. В этом случае каждая точка одной будет также и точкой другой прямой.
Две прямые пересекаются. В этом случае только какая-то одна точка из одной прямой будет также принадлежать и другой прямой.
Две прямые параллельны. В этом случае у каждой из этих прямых свой набор различных друг от друга точек.

Перпендикулярность прямых

Рассмотрим две произвольные пересекающиеся прямые. Очевидно, что в точке их пересечения образовывается 4 угла. Тогда

Определение 1

Пересекающиеся прямые будем называть перпендикулярными, если хотя бы один угол, образованный их пересечением равняется $90^0$ (рис. 2).

Обозначение: $a⊥b$.

Рассмотрим следующую задачу:

Пример 1

Найти углы 1, 2 и 3 из рисунка ниже

Угол 2 является вертикальным для данного нам угла, следовательно

Угол 1 является смежным для угла 2, следовательно

$∠1=180^0-∠2=180^0-90^0=90^0$

Угол 3 является вертикальным для угла 1, следовательно

$∠3=∠1=90^0$

Из этой задачи можем сделать следующее замечание

Замечание 1

Все углы между перпендикулярными прямыми равняются $90^0$.

Основная теорема перпендикулярных прямых

Введем следующую теорему:

Теорема 1

Две прямые, являющиеся перпендикулярными для третьей будут непересекающимися.

Доказательство.

Рассмотрим рисунок 3 по условию задачи.

Разделим мысленно данный рисунок на две части прямой $(ZP)$. Наложим правую часть на левую. Тогда, так как прямые $(NM)$ и $(XY)$ перпендикулярны к прямой $(PZ)$ и, следовательно, углы между ними прямые, то луч $NP$ наложется целиком на луч $PM$, а луч $XZ$ наложется целиком на луч $YZ$.

Теперь, предположим противное: пусть эти прямые пересекаются. Без ограничения общности предположим, что они пересекаются с левой стороны, то есть, пусть луч $NP$ пересекается с лучом $YZ$ в точке $O$. Тогда, по конструкции, описанной выше, будем получать, что и луч $PM$ пересекается с лучом $YZ$ в точке $O"$. Но тогда мы получаем, что через две точки $O$ и $O"$, проходит две прямые $(NM)$ и $(XY)$, что противоречит аксиоме 3 прямых.

Следовательно, прямые $(NM)$ и $(XY)$ не пересекаются.

Теорема доказана.

Пример задачи

Пример 2

Даны две прямые, которые имеют точку пересечения. Через точку, которая не принадлежит ни одной из них проведены две прямые, одна из которых перпендикулярна одной из выше описанных прямых, а другая - другой из них. Доказать, что они не совпадают.

Изобразим рисунок по условию задачи (рис. 4).

Из условия задачи будем иметь, что $m⊥k,n⊥l$.

Предположим противное, пусть прямые $k$ и $l$ совпадают. Пусть это будет прямой $l$. Тогда, по условию $m⊥l$ и $n⊥l$. Следовательно, по теореме 1, прямые $m$ и $n$ не пересекаются. Получили противоречие, а значит прямые $k$ и $l$ не совпадают.

Многие геометрические фигуры образованы пересекающимися под прямым углом прямыми. Например, это квадрат, прямоугольник, прямоугольный треугольник или прямая четырехугольная призма. В данной статье рассмотрим вопрос перпендикулярности двух прямых и условия, которые должны выполняться, чтобы прямая была перпендикулярна плоскости.

Какие уравнения важно знать?

Условия перпендикулярности двух прямых и прямой и плоскости не сложно получить, если известны соответствующие уравнения для названных геометрических объектов.

Уравнение любой прямой как на плоскости, так и в пространстве может быть записано в универсальном векторном виде. Для трехмерного случая оно выглядит следующим образом:

(x; y; z) = (x 0 ; y 0 ; z 0) + λ*(a; b; c)

Здесь переменные x, z и y являются координатами в выбранной системе, λ - любое действительное число, а тройка чисел (a; b; c) задают вектор в пространстве, который называется направляющим (вдоль него направлена прямая, проходящая через точку с координатами (x 0 ; y 0 ; z 0)). Это уравнение может быть преобразовано в общий вид, в каноническое и параметрическое.

Плоскость удобнее всего представлять в общем виде, что соответствует уравнению:

A*x + B*y + C*z + D = 0

Большие латинские буквы представляют собой коэффициенты. Это выражение также может быть представлено в векторном, параметрическом видах и в форме уравнения в отрезках. Удобство приведенной формы записи заключается в том, что первые три коэффициента соответствуют координатам вектора, который перпендикулярен этой плоскости, то есть:

n¯(A; B; C) - направляющий вектор плоскости

Перпендикулярность двух прямых

Условие перпендикулярности прямых не сложно понять, для этого достаточно установить, являются ли перпендикулярными их направляющие вектора. Последнее можно выяснить, вычислив скалярное произведение. Предположим, что v¯ и u¯ - вектора направляющие для двух прямых. Если последние являются перпендикулярными, тогда:

Это условие перпендикулярности двух прямых является обязательным. Тем не менее, оно будет достаточным только для случая двумерного пространства. В трехмерном же пространстве, помимо этого выражения, также следует вычислить расстояние между прямыми. Если равенство выше выполняется, и указанное расстояние равно нулю, тогда прямые будут пересекаться под углом 90 o , то есть будут перпендикулярными.

Для расчета дистанции d между прямыми в пространстве пользуются выражением:

d = ||/|u¯|

Здесь M 1 M 2 ¯ - вектор, построенный на двух точках, каждая из которых принадлежит соответствующей прямой (M 1 лежит на первой прямой, M 2 - на второй).

Плоскость и прямая

Перпендикулярности условие для этих объектов имеет следующий вид:

Иными словами, прямая будет пересекать плоскость под углом 90 o только тогда, когда ее будет параллелен нормали к плоскости. Факт параллельности означает, что вектор прямой u¯ можно получить, умножив нормальный к плоскости вектор n¯ на некоторое конкретное число k.

Существуют также другие способы узнать, являются ли параллельными вектора u¯ и n¯. Например, в случае их параллельности угол между ними должен быть равен нулю, то есть косинус угла, рассчитанного через скалярное произведение, будет равен 1. В свою очередь векторное произведение параллельных векторов равно нулю.

Заметим, если плоскость и прямая заданы не в общем и векторном виде, соответственно, тогда следует привести их к этим видам, а затем пользоваться приведенными формулами условий перпендикулярности.