Перпендикуляр и наклонная

Теорема . Если из одной точки вне плоскости проведены перпендикуляр и наклонные, то:

1) наклонные, имеющие равные проекции, равны;

2) из двух наклонных больше та, проекция которой больше;

3) равные наклонные имеют равные проекции;

4) из двух проекций больше та, которая соответствует большей наклонной.

Теорема о трех перпендикулярах . Для того чтобы прямая, лежащая в плоскости, была перпендикулярна наклонной, необходимо и достаточно, чтобы эта прямая была перпендикулярна проекции наклонной (рис.3).

Теорема о площади ортогональной проекции многоугольника на плоскость. Площадь ортогональной проекции многоугольника на плоскость равна произведению площади многоугольника на косинус угла между плоскостью многоугольника и плоскостью проекции.

Построение.

1. На плоскости a проводим прямую а .

3. В плоскости b через точку А проведем прямую b , параллельную прямой а .

4. Построена прямая b параллельная плоскости a .

Доказательство. По признаку параллельности прямой и плоскости прямая b параллельна плоскости a , так как она параллельна прямой а , принадлежащей плоскости a .

Исследование. Задача имеет бесконечное множество решений, так как прямая а в плоскости a выбирается произвольно.

Пример 2. Определите, на каком расстоянии от плоскости находится точка А , если прямая АВ пересекает плоскость под углом 45º, расстояние от точки А до точки В , принадлежащей плоскости, равно см?

Решение. Сделаем рисунок (рис. 5):

АС – перпендикуляр к плоскости a , АВ – наклонная, угол АВС – угол между прямой АВ и плоскостью a . Треугольник АВС – прямоугольный так как АС – перпендикуляр. Искомое расстояние от точки А до плоскости – это катет АС прямоугольного треугольника. Зная угол и гипотенузу см найдем катет АС :

Ответ: 3 см.

Пример 3. Определите, на каком расстоянии от плоскости равнобедренного треугольника находится точка, удаленная от каждой из вершин треугольника на 13 см, если основание и высота треугольника равны по 8 см?

Решение. Сделаем рисунок (рис. 6). Точка S удалена от точек А , В и С на одинаковое расстояние. Значит, наклонные SA , SB и SC равные, SO – общий перпендикуляр этих наклонных. По теореме о наклонных и проекциях АО = ВО = СО.

Точка О – центр окружности описанной около треугольника АВС . Найдем ее радиус:

где ВС – основание;

AD – высота данного равнобедренного треугольника.

Находим стороны треугольника АВС из прямоугольного треугольника ABD по теореме Пифагора:

Теперь находим ОВ :

Рассмотрим треугольник SOB : SB = 13 см, ОВ = = 5 см. Находим длину перпендикуляра SO по теореме Пифагора:

Ответ: 12 см.

Пример 4. Даны параллельные плоскости a и b . Через точку М , не принадлежащую ни одной из них, проведены прямые а и b , которые пересекают a в точках А 1 и В 1 , а плоскость b – в точках А 2 и В 2 . Найти А 1 В 1 , если известно, что МА 1 = 8 см, А 1 А 2 = 12 см, А 2 В 2 = 25 см.

Решение. Так как в условии не сказано, как расположена относительно обеих плоскостей точка М , то возможны два варианта: (рис. 7, а) и (рис. 7, б). Рассмотрим каждый из них. Две пересекающиеся прямые а и b задают плоскость. Эта плоскость пересекает две параллельные плоскости a и b по параллельным прямым А 1 В 1 и А 2 В 2 согласно теореме 5 о параллельных прямых и параллельных плоскостях.

Треугольники МА 1 В 1 и МА 2 В 2 подобны (углы А 2 МВ 2 и А 1 МВ 1 – вертикальные, углы МА 1 В 1 и МА 2 В 2 – внутренние накрест лежащие при параллельных прямых А 1 В 1 и А 2 В 2 и секущей А 1 А 2). Из подобия треугольников следует пропорциональность сторон:

Отсюда

Вариант а):

Вариант б):

Ответ: 10 см и 50 см.

Пример 5. Через точку А плоскости g проведена прямая АВ , образующая с плоскостью угол a . Через прямую АВ проведена плоскость r , образующая с плоскостью g угол b . Найти угол между проекцией прямой АВ на плоскость g и плоскостью r .

Решение. Сделаем рисунок (рис. 8). Из точки В опустим перпендикуляр на плоскость g . Линейный угол двугранного угла между плоскостями g и r – это угол Прямая AD DBC , по признаку перпендикулярности прямой и плоскости, так как и По признаку перпендикулярности плоскостей плоскость r перпендикулярна плоскости треугольника DBC , так как она проходит через прямую AD . Искомый угол построим, опустив перпендикуляр из точки С на плоскость r , обозначим его Найдем синус этого угла прямоугольного треугольника САМ . Введем вспомогательный отрезок а = ВС . Из треугольника АВС : Из треугольника ВМС найдем

Перпендикуляром, опущенным из данной точки на данную плоскость, называется отрезок, соединяющий данную точку с точкой плоскости и лежащий на прямой, перпендикулярной плоскости. Конец этого отрезка, лежащий в плоскости, называется основанием перпендикуляра. Расстоянием от точки до плоскости называется длина перпендикуляра, опущенного этой точки на плоскость.

Наклонной, проведенной данной точки к данной плоскости, называется любой отрезок, соединяющий данную точку с точкой плоскости и не являющийся перпендикуляром к этой плоскости. Конец отрезка, лежащий в плоскости, называется основанием наклонной. Отрезок, соединяющий основания перпендикуляра и наклонной, проведенных из одной и той же точки, называется проекцией наклонной.

На рисунке 136 из точки А проведены к плоскости перпендикуляр АВ и наклонная АС. Точка В - основание перпендикуляра, точка С - основание наклонной, ВС - проекция наклонной АС на плоскость а.

Так как расстояния от точек прямой до параллельной ей плоскости одинаковы, то расстоянием от прямой до параллельной ей плоскости называется расстояние от любой ее точки до этой плоскости.

Прямая, проведенная на плоскости через основание наклонной перпендикулярно ее проекции, перпендикулярна и самой наклонной. И обратно: если прямая на плоскости перпендикулярна наклонной, то она перпендикулярна и проекции наклонной (теорема о трех перпендикулярах).

На рисунке 137 к плоскости а проведены перпендикуляр АВ и наклонная АС. Прямая о, лежащая в плоскости а, перпендикулярна ВС - проекции наклонной АС на плоскость а. По Т. 2.12 прямая а перпендикулярна наклонной АС. Если было бы известно, что прямая а перпендикулярна наклонной АС, то по Т. 2.12 она была бы перпендикулярна и ее проекции - ВС.

Пример. Катеты прямоугольного треугольника ABC равны 16 и Из вершины прямого угла С проведен к плоскости этого треугольника перпендикуляр CD= 35 м (рис. 138). Найти расстояние от точки D до гипотенузы АВ.

Решение. Проведем . По условию DC - перпендикуляр к плоскости, т. е. DE - наклонная, СЕ - ее проекция, поэтому по теореме о трех перпендикулярах из условия следует, что

Из находим Для отыскания высоты СЕ в находим

С другой стороны, откуда

Из по теореме Пифагора

46. Перпендикулярность плоскостей.

Две пересекающиеся плоскости называются перпендикулярными, если какая-либо плоскость, перпендикулярная прямой пересечения этих плоскостей, пересекает их по перпендикулярным прямым.

На рисунке 139 изображены две плоскости , которые пересекаются по прямой а. Плоскость у перпендикулярна прямой а и пересекает При этом плоскость у пересекает плоскость а по прямой с, а плоскость - по прямой d, причем т. е. по определению

Т. 2.13. Если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную другой плоскости, то эти плоскости перпендикулярны (признак перпендикулярности плоскостей).

На рисунке 140 плоскость проходит через прямую а т. е. по плоскости перпендикулярны.

Теорема . Если из одной точки вне плоскости проведены перпендикуляр и наклонные, то:

1) наклонные, имеющие равные проекции, равны;

2) из двух наклонных больше та, проекция которой больше;

3) равные наклонные имеют равные проекции;

4) из двух проекций больше та, которая соответствует большей наклонной.

Теорема о трех перпендикулярах . Для того чтобы прямая, лежащая в плоскости, была перпендикулярна наклонной, необходимо и достаточно, чтобы эта прямая была перпендикулярна проекции наклонной (рис. 12.3).

Теорема о площади ортогональной проекции многоугольника на плоскость. Площадь ортогональной проекции многоугольника на плоскость равна произведению площади многоугольника на косинус угла между плоскостью многоугольника и плоскостью проекции.

Пример 1 . Через данную точку провести прямую, параллельную данной плоскости.

Решение. Анализ. Предположим, что прямая построена (рис. 12.4). Прямая параллельна плоскости, если она параллельна какой-нибудь прямой, лежащей в плоскости (по признаку параллельности прямой и плоскости). Две параллельные прямые лежат в одной плоскости. Значит, построив плоскость, проходящую через данную точку и произвольную прямую в данной плоскости, можно будет построить параллельную прямую.

Построение.

1. На плоскости  проводим прямую а .

3. В плоскости  через точку А проведем прямую b , параллельную прямой а .

4. Построена прямая b , параллельная плоскости  .

Доказательство. По признаку параллельности прямой и плоскости прямая b параллельна плоскости  , так как она параллельна прямой а , принадлежащей плоскости  .

Исследование. Задача имеет бесконечное множество решений, так как прямая а в плоскости  выбирается произвольно.

Пример 2. Определите, на каком расстоянии от плоскости находится точка А , если прямая АВ пересекает плоскость под углом 45º, расстояние от точки А до точки В , принадлежащей плоскости, равно
см.

Решение. Сделаем рисунок (рис. 12.5):

АС – перпендикуляр к плоскости  , АВ – наклонная, угол АВС – угол между прямой АВ и плоскостью  . Треугольник АВС – прямоугольный,
так какАС – перпендикуляр. Искомое расстояние от точки А до плоскости – это катет АС прямоугольного треугольника. Зная угол
и гипотенузу
найдем катетАС :

В ответе получаем: АС = 3 см.

Пример 3. Определите, на каком расстоянии от плоскости равнобедренного треугольника находится точка, удаленная от каждой из вершин треугольника на 13 см, если основание и высота треугольника равны по 8 см.

Решение. Сделаем рисунок (рис. 12.6). Точка S удалена от точек А , В и С на одинаковое расстояние. Значит, наклонные SA , SB и SC равные, SO – общий перпендикуляр этих наклонных. По теореме о наклонных и проекциях АО = ВО = СО.

Точка О – центр окружности, описанной около треугольника АВС . Найдем ее радиус:

где ВС – основание; AD – высота данного равнобедренного треугольника.

Находим стороны треугольника АВС из прямоугольного треугольника ABD по теореме Пифагора:

Теперь находим ОВ :

Рассмотрим треугольник SOB :
SB = 13 см, ОВ = 5 см. Находим длину перпендикуляра SO по теореме Пифагора:

В ответе получаем: SO = 12 см.

Пример 4. Даны параллельные плоскости  и  . Через точку М , не принадлежащую ни одной из них, проведены прямые а и b , которые пересекают плоскость  в точках А 1 и В 1 , а плоскость  – в точках А 2 и В 2 . Найти А 1 В 1 , если известно, что МА 1 = 8 см, А 1 А 2 = 12 см, А 2 В 2 = 25 см.

Решение. Так как в условии не сказано, как расположена относительно обеих плоскостей точка М , то возможны два варианта: (рис. 12.7, а, б). Рассмотрим каждый из них. Две пересекающиеся прямые а и b задают плоскость. Эта плоскость пересекает две параллельные плоскости  и  по параллельным прямым А 1 В 1 и А 2 В 2 согласно теореме 5 о параллельных прямых и параллельных плоскостях.

Треугольники МА 1 В 1 и МА 2 В 2 подобны (углы А 2 МВ 2 и А 1 МВ 1 – вертикальные, углы МА 1 В 1 и МА 2 В 2 – внутренние накрест лежащие при параллельных прямых А 1 В 1 и А 2 В 2 и секущей А 1 А 2). Из подобия треугольников следует пропорциональность сторон:

Отсюда

Вариант а):

Вариант б):

Получаем ответ: 10 см и 50 см.

Пример 5. Через точку А плоскости  проведена прямая АВ , образующая с плоскостью угол  . Через прямую АВ проведена плоскость  , образующая с плоскостью  угол  . Найти угол между проекцией прямой АВ на плоскость  и плоскостью  .

Решение. Сделаем рисунок (рис. 12.8). Из точки В опустим перпендикуляр на плоскость  .
Линейный угол двугранного угла между плоскостями и  – это угол
ПрямаяAD DBC , по признаку перпендикулярности прямой и плоскости, так как
и
По признаку перпендикулярности плоскостей плоскость перпендикулярна плоскости треугольника DBC , так как она проходит через прямую AD . Искомый угол построим, опустив перпендикуляр из точки С на плоскость  , обозначим его
Найдем синус этого угла прямоугольного треугольникаСАМ . Введем вспомогательный отрезок ВС = а . Из треугольника АВС :
Из треугольникаВМС (


) найдем.

ГЕОМЕТРИЯ

Раздел ІІ. СТЕРЕОМЕТРИЯ

§8. ПЕРПЕНДИКУЛЯР И НАКЛОННАЯ. ПРОЕКЦИЯ НАКЛОННОЙ НА ПЛОСКОСТЬ.

2. Свойства перпендикуляра и наклонной.

Рассмотрим свойства перпендикуляра и наклонной.

1) Перпендикуляр, опущенный из данной точки к плоскости, меньше любой наклонной, проведенной из этой же точки к плоскости.

На рисунке 411: АН АК.

2) Если две наклонные, проведенные из данной точки к плоскости, равны, то равны их проекции.

K 1 и перпендикуляр АН и АК = АК 1 . Тогда по свойству: НК = НК 1 .

3) Если две наклонные, проведенные из данной точки к данной плоскости, имеют равные проекции, то они равны между собой.

На рисунке 412 из точки А к плоскости а проведены две наклонные АК и А K 1 и перпендикуляр АН, причем КН = К 1 Н. Тогда по свойству: АК = АК 1 .

4) Если из данной точки проведены к плоскости две наклонные, то большая наклонная имеет большую проекцию.

L и перпендикуляр АН, A К > AL . Тогда по свойству: H К > HL .

5) Если из данной точки проведены к плоскости две наклонные, то большей из них является та, которая имеет большую проекцию на данную плоскость.

На рисунке 413 из точки А к плоскости а проведены две наклонные АК и А L и перпендикуляр АН, НК > Н L . Тогда по свойству: АК > А L .

Пример 1. Из точки к плоскости проведены две наклонные, длины которых 41 см и 50 см. Найти проекции наклонных, если они относятся, как 3: 10, и расстояние от точки до плоскости.

Решения. 1) А L = 41 см; АК = 50 см (рис. 413). По свойством имеем Н L НК. Обозначим Н L = 3 х см, НК = 10 х см, АН = h см. АН - расстояние от точки А до плоскости α .

4) Приравнивая, получаем 41 2 - 9х 2 = 50 2 - 100 х 2 ; х 2 = 9; х = 3 (учитывая х > 0). Итак, Н L = 3 ∙ 3 = 9 (см), НК = 10 ∙ 3 = 30 (см).

Пример 2. С данной точки к плоскости проведены две наклонные, каждая по см. Угол между наклонными равен 60°, а угол между их проекциями - прямой. Найти расстояние от точки до плоскости.