Перпендикулярность плоскостей Определение. Две плоскости называются перпендикулярными, если линейный угол при ребре двугранного угла между этими плоскостями - прямой.
Признак перпендикулярности плоскостей. Если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную другой плоскости, то эти плоскости перпендикулярны.
Доказательство. Пусть a и ? - две пересекающиеся плоскости, с - прямая их пересечения и а - прямая перпендикулярная плоскости ? и лежащая в плоскости a . А - точка пересечения прямых a и с. В плоскости ? из точки А восстановим перпендикуляр, и пусть это будет прямая b . Прямая а перпендикулярна плоскости ? , а значит она перпендикулярна и любой прямой в этой плоскости, то есть прямые b и с перпендикулярны. Угол между прямыми а и Ь - линейный плоскостями a и ? и равен он 90°, так как прямая а перпендикулярна прямой b (подоказанному).Поопределениюплоскости a и ? перпендикулярны.

Теорема 1 . Еслииз точки,принадлежащейодной из двух перпендикулярных плоскостей,провести перпендикуляр к другой плоскости, то это перпендикуляр полностью лежит в первой плоскости.
Доказательство. Пусть a и ? - перпендикулярные плоскости и с - прямая их пересечения, А - точка лежащаявплоскостиa и не принадлежащая прямой с. Пустьперпендикуляр к плоскости ? проведенный из точки А , не лежит в плоскости a , тогда точка С – основание этого перпендикуляра лежит в плоскости ? и не принадлежит прямой с. Из точки А опустим перпендикуляр АВ напрямую с. Прямая АВ перпендикулярна плоскости (использую теорему 2). Через прямую АВ и точку С проведем плоскость ? (прямая и точка определяют плоскость, причем только одну). Мы видим, что в плоскости ? из одной точки А на прямуюВС проведено два перпендикуляра, чего быть не может, значит прямая АС совпадает с прямой АВ, а прямая АВ в свою очередь полностью лежит в плоскости a .

Теорема 2 . Если в одной из двух перпендикулярных плоскостей провести перпендикуляр к их линии пересечения, то этот перпендикуляр будет перпендикулярен второй плоскости.
Доказательство. Пусть a и ? - две перпендикулярные плоскости, с - прямая их пересечения и а - прямая перпендикулярная прямой с и лежащая в плоскости a . А - точка пересечения прямых а и с. В плоскости ? из точки А восстановим перпендикуляр, и пусть это будет прямая b . Угол между прямыми а и b - линейный угол при ребре двугранного угла между плоскостями a и ? и равен он 90°, так как плоскости a и ? перпендикулярны. Прямая а перпендикулярна прямой b (по доказанному) и прямой с по условию. Значит прямая а перпендикулярна плоскости? (

Из стереометрии известно условие перпендикулярности двух плоскостей: если плоскость проходит через перпендикуляр к данной плоскости (или параллельна этому перпендикуляру), то она перпендикулярна к данной плоскости.

Через данную точку А можно провести бесчисленное множество плоскостей перпендикулярных данной плоскости Р (рис. 3.19). Эти плоскости образуют в пространстве пучок плоскостей, осью которого является перпендикуляр АВ, опущенный из точки А на плоскость Р.

На эпюре (рис. 3.20) показано построение одной из плоскостей этого пучка. Прежде всего через проекции точки А проведены проекции перпендикуляра АК к данной плоскости. Построение А 1 К 1 и А 2 К 2 не вызывает затруднений, так как плоскость Р задана главными линиями. Затем через проекции той же точки А проведены проекции произвольной линии АD. Эти две пересекающиеся линии АК и АD и определяют искомую плоскость Р.

Примеры позиционных и метрических задач на плоскость

Пример 1 . В плоскости, заданной треугольником АВС, построить точку D (рис. 3.21).

Решение .

1. Необходимо в данной плоскости провести прямую. Зададим для этого две точки, заведомо лежащие в данной плоскости. Одной из таких точек может быть вершина А(А 1 ;А 2) треугольника. Вторую точку Е(Е 1 ;Е 2) зададим на стороне ВС. Через одноименные проекции А 1 и Е 1 , А 2 и Е 2 проведем прямые. Эти прямые являются проекциями прямой. Лежащей в данной плоскости.

2. На построенной прямой АЕ зададим точку D. Для этого построим D 1 ÎА 1 Е 1 и D 2 ÎА 2 Е 2 . Точка D лежит в заданной плоскости, т.к.к она принадлежит прямой АЕ, лежащей в этой плоскости

Пример 2 . Построить линию наибольшего уклона плоскости, заданной параллельными прямыми а(а 1 ; а 2) и b(b 1 ; b 2) и определить угол a между этой плоскостью и горизонтальной плоскостью проекций (рис. 3.22)

Решение

1. Проведем горизонталь h данной плоскости (см. гл.3 рис. 3.3, в). Проекциями этой горизонтали будут прямые h 1 и h 2 .
2. Проведем прямую, перпендикулярную к горизонтальной проекции горизонтали, и отметим точки С 1 - пересечения её с h 1 D 1 – са 1 . Прямая С 1 D 1 является горизонтальной проекцией линии наибольшего ската.
3. Построим фронтальные проекции С 2 и D 2 . Для этого из С 1 и D 1 проведем вертикальные линии связи до пересечения соответственно с h 2 и а 2 .
4. Прямая, соединяющая точки С 2 и D 2 , является фронтальной проекцией линии наибольшего уклона.
5. Угол a определяем из прямоугольного треугольника D 1 C 1 E 0 , построенного на С 1 D 1 как на катете. Второй катет D 0 D 1 = E 2 D 2 . Искомый угол a=ÐD 0 C 1 D 1

Пример 3 . Задана плоскость пересекающимися прямыми АВ и CD. Определить лежит ли прямая KL в этой плоскости.

Решение .

1. Обозначим точки пересечения фронтальных проекций прямых АВ и KL через 1 2 и прямых CD и KL через 2 2 .

2. Строим их горизонтальные проекции – точки 1 1 и 2 2 на горизонтальной проекции (K 1 L 1) прямой KL. Из построения видно, что точки 1(1 1 1 2) и 2(2 1 2 2) прямая KL на заданной плоскости не лежат. Следовательно, прямая KL в плоскости не лежит. Решение этой задачи можно начать и с пересечения горизонтальных проекций.

Пример 4 . В плоскости, заданной двумя параллельными прямыми АВ и CD, провести фронталь на расстоянии 15 мм от фронтальной плоскости проекций (рис. 3.24)

Решение . Проводим на расстоянии 15 мм от оси проекций параллельную ей горизонтальную проекцию (1 1 -2 2) фронтали, которая пересекает прямые А 1 В 1 и C 1 D 1 в точках 1 1 и 2 2 .

Затем находим точки 1 1 и 2 2 на прямых А 2 В 2 и C 2 D 2 и проводим через них фронтальную проекцию (1 2 2 2) фронтали.

Пример 5 . Найти прямую пересечения плоскостей Р и Q.

Решение . Плоскость Р и Q пересекаются по прямой общего положения, проходящей через точку-след (М 1 ;М 2) пересечения горизонтальных следов плоскостей. Точка-след (N 1 ;N 2) пересечения фронтальных следов плоскостей недоступна, т.к. эти следы плоскостей по заданию, в пределах чертежа не пересекаются.

Вместо точки (N 1 ;N 2) необходимо найти другую произвольную точку прямой пересечения, общую для заданных плоскостей. Для этого вводим вспомогательную плоскость R, например параллельную П которая, как известно, пересекает каждую из данных плоскостей по горизонтали. На их пересечении получаем вспомогательную точку (К 1 ;К 2), общую для данных плоскостей. Найдя эту вторую точку (К 1 ;К 2) прямой, проводим её проекцию: горизонтальную – через точки М 1 и К 1 и фронтальную через точки М 2 и К 2 .

Пример 6 . Найти точку пересечения прямой АВ с плоскостью Р (рис. 3.26)

Решение . Обозначим искомую точку через точку К. Так как точка К (К 1 ;К 2) лежит на профильно-проецирующей плоскости. То её профильная проекция (К 3) должна лежать на профильном следе (Р 3) плоскости. Вместе с тем, так как эта же точка лежит и на прямой АВ, то её профильная проекция (К 3) должна лежать так же где-то на профильной проекции (А 3 В 3) прямой. Следовательно искомая точка должна лежать на их пересечении. Найдя профильный след плоскости и профильную проекцию прямой, получаем на их пересечении профильную проекцию (К 3) искомой точки. Зная профильную проекцию (К 3) искомой точки, находим две другие её проекции на одноименных проекциях прямой.

Пример 7 . Даны плоскость Р и точка А. Определить расстояние то точки до плоскости (рис. 3.27)

Решение . Опускаем из точки А (А 1 ;А 2) перпендикуляр на плоскость Р и находим его основание на этой плоскости, для чего ищем точку К (К 1 ;К 2) пересечения перпендикуляра с плоскостью. Имея проекции (А 1 К 1 ;А 2 К 2) отрезка перпендикуляра, определим его действительную величину методом прямоугольного треугольника.

Пример 8 . Даны треугольник АВС и точка К. Определить расстояние между ними. (рис. 3.28)

Решение . Опускаем из заданной точки Е (Е 1 ;Е 2) перпендикуляр на плоскость треугольника: К 1 Е 1 перпендикулярно горизонтальной проекции горизонтали (К 1 Е 1 ^С 1 F 1), К 2 Е 2 перпендикулярно фронтальной проекции фронтали (К 2 Е 2 ^А 2 D 2). Находим точку пересечения перпендикуляра с плоскостью треугольника (К 1 ;К 2) , определяем натуральную величину отрезка перпендикуляра (К 1 Е 1 ;К 2 Е 2) методом прямоугольного треугольника.

Глава 4

Методы преобразования комплексного чертежа (эпюра Монжа)

Данная статья посвящена перпендикулярным плоскостям. Будут даны определения, обозначения вместе с примерами. Будет сформулирован признак перпендикулярности плоскостей и условие, при котором он выполним. Будут рассмотрены решения подобных задач на примерах.

Yandex.RTB R-A-339285-1

При наличии угла между пересекающимися прямыми можно говорить об определении перпендикулярных плоскостей.

Определение 1

При условии, что угол между перпендикулярными прямыми равен 90 градусов, их называют перпендикулярными.

Обозначение перпендикулярности принято писать знаком « ⊥ ». Если в условии дано, что плоскости α и β перпендикулярные, тогда запись принимает вид α ⊥ β . На рисунке ниже показано подробно.

Когда в улови дано, что плоскость α и β перпендикулярны, это значит, что α перпендикулярна β и наоборот. Такие плоскости называют взаимно перпендикулярными. Например, стена и потолок в комнате являются взаимно перпендикулярными, так как при пересечении дают прямой угол.

Перпендикулярность плоскостей – признак и условие перпендикулярности

На практике можно встретить задания, где необходимо определить перпендикулярность заданных плоскостей. Для начала нужно определить угол между ними. Если он равен 90 градусам, тогда они считаются перпендикулярными из определения.

Для доказательства перпендикулярности двух плоскостей применяют признак перпендикулярности двух плоскостей.Формулировка содержит понятия перпендикулярная прямая и плоскость. Напишем точное определение признака перпендикулярности в виде теоремы.

Теорема 1

Если одна из двух заданных плоскостей пересекает прямую, перпендикулярную другой плоскости, то заданные плоскости перпендикулярны.

Доказательство имеется в учебнике по геометрии за 10 - 11 класс, где есть подробное описание. Из признака следует, что, если плоскость перпендикулярна линии пересечения двух заданных плоскостей, то она перпендикулярна к каждой из этих плоскостей.

Существует необходимое и достаточное условия для доказательства. Рассмотрим их для перпендикулярности двух заданных плоскостей, которое применяется в качестве проверки их перпендикулярности, находящихся в прямоугольной системе координат трехмерного пространства. Чтобы доказательство имело силу, необходимо применить определение нормального вектора плоскости, который способствует доказать необходимое и достаточное условие перпендикулярности плоскостей.

Теорема 2

Для того, чтобы перпендикулярность пересекающихся плоскостей была явной, необходимо и достаточно, чтобы нормальные векторы заданных плоскостей пересекались под прямым углом.

Доказательство

Пусть в трехмерном пространстве задана прямоугольная система координат. Если имеем n 1 → = (A 1 , B 1 , C 1) и n 2 → = (A 2 , B 2 , C 2) , являющимися нормальными векторами заданных плоскостей α и β , то необходимым и достаточным условием перпендикулярности векторов n 1 → и n 2 → примет вид

n 1 → , n 2 → = 0 ⇔ A 1 · A 2 + B 1 · B 2 + C 1 · C 2 = 0

Отсюда получаем, что n 1 → = (A 1 , B 1 , C 1) и n 2 → = (A 2 , B 2 , C 2) - нормальные векторы заданных плоскостей, а для действительности перпендикулярности α и β необходимо и достаточно, чтобы скалярное произведение векторов n 1 → и n 2 → было равным нулю, а значит, принимало вид n 1 → , n 2 → = 0 ⇔ A 1 · A 2 + B 1 · B 2 + C 1 · C 2 = 0 .

Равенство выполнено.

Рассмотрим подробнее на примерах.

Пример 1

Определить перпендикулярность плоскостей, заданных в прямоугольной системе координат O x y z трехмерно пространства, заданного уравнениями x - 3 y - 4 = 0 и x 2 3 + y - 2 + z 4 5 = 1 ?

Решение

Для нахождения ответа на вопрос о перпендикулярности для начал необходимо найти координаты нормальных векторов заданных плоскостей, после чего можно будет выполнить проверку на перпендикулярность.

x - 3 y - 4 = 0 является общим уравнением плоскости, из которого можно сразу преобразовать координаты нормального вектора, равные n 1 → = (1 , - 3 , 0) .

Для определения координаты нормального вектора плоскости x 2 3 + y - 2 + z 4 5 = 1 перейдем от уравнения плоскости в отрезках к общему.

Тогда получим:

x 2 3 + y - 2 + z 4 5 ⇔ 3 2 x - 1 2 y + 5 4 z - 1 = 0

Тогда n 2 → = 3 2 , - 1 2 , 5 4 - это координаты нормального вектора плоскости x 2 3 + y - 2 + z 4 5 = 1 .

Перейдем к вычислению скалярного произведения векторов n 1 → = (1 , - 3 , 0) и n 2 → = 3 2 , - 1 2 , 5 4 .

Получим, что n 1 → , n 2 → = 1 · 3 2 + (- 3) · - 1 2 + 0 · 5 4 = 3 .

Видим, что оно не равно нулю, значит, что заданные векторы не перпендикулярны. Отсюда следует, что плоскости также не перпендикулярны. Условие не выполнено.

Ответ: плоскости не перпендикулярны.

Пример 2

Прямоугольная система координат O x y z имеет четыре точки с координатами A - 15 4 , - 7 8 , 1 , B 17 8 , 5 16 , 0 , C 0 , 0 , 3 7 , D - 1 , 0 , 0 . Проверить, перпендикулярны ли плоскости А В С и A B D .

Решение

Для начала необходимо рассчитать скалярное произведение векторов данных плоскостей. Если оно равно нулю, только в этом случае можно считать, что они перпендикулярны. Находим координаты нормальных векторов n 1 → и n 2 → плоскостей А В С и A B D .

Из заданных координат точек вычислим координаты векторов A B → , A C → , A D → . Получаем, что:

A B → = 47 8 , 19 16 , - 1 , A C → = 15 4 , 7 8 , - 4 7 , A D → = 11 4 , 7 8 , - 1 .

Нормальный вектор плоскости А В С является векторным произведением векторов A B → и A C → , а для A B D векторное произведение A B → и A D → . Отсюда получим, что

n 1 → = A B → × A C → = i → j → k → 47 8 19 16 - 1 15 4 7 8 - 4 7 = 11 56 · i → - 11 28 · j → + 11 16 · k → ⇔ n 1 → = 11 56 , - 11 28 , 11 16 n 2 → = A B → × A D → = i → j → k → 47 8 19 16 - 1 11 4 7 8 - 1 = - 5 16 · i → + 25 8 · j → + 15 8 · k → ⇔ n 2 → = - 5 16 , 25 8 , 15 8

Приступим к нахождению скалярного произведения n 1 → = 11 56 , - 11 28 , 11 16 и n 2 → = - 5 16 , 25 8 , 15 8 .

Получим: n 1 → , n 2 → = 11 56 · - 5 16 + - 11 28 · 25 8 + 11 16 · 15 8 = 0 .

Если оно равно нулю, значит векторы плоскостей А В С и A B D перпендикулярны, тогда и сами плоскости перпендикулярны.

Ответ: плоскости перпендикулярны.

Можно было подойти к решению иначе и задействовать уравнения плоскостей А В С и A B D . После нахождения координат нормальных векторов данных плоскостей можно было бы проверить на выполнимость условие перпендикулярности нормальных векторов плоскостей.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Две плоскости, которые пересекаются, называются перпендикулярными , если третья плоскость, перпендикулярная прямой пересечения этих двух плоскостей, пересекает их по перпендикулярным прямым (см. рисунок).

Любая плоскость, перпендикулярная к прямой пересечения перпендикулярных плоскостей, пересекает их по перпендикулярным прямым.

Признак перпендикулярности плоскостей

Теорема 1. Если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную к другой плоскости, то эти плоскости перпендикулярны (см. рисунок).

Теорема 2. Если прямая, лежащая в одной из двух перпендикулярных плоскостей, перпендикулярна линии их пересечения, то она перпендикулярна и ко второй плоскости (см. рисунок).

Пример применения теоремы 2
Пусть есть две перпендикулярные плоскости и , которые пересекаются по прямой a (см. рисунок). Найти расстояние от точки A , которая лежит в плоскости и не лежит в плоскости , плоскости .

В плоскости строим перпендикуляр к a через точку A . Пусть он пересекает a в точке B . AB - искомое расстояние.
Обратите внимание на такое.
1. Через точку вне плоскости можно провести множество плоскостей, перпендикулярных к этой плоскости (см. рисунок). (Но все они пройдут через перпендикулярную к этой плоскости прямую, которая проходит через данную точку.)

2. Если плоскость перпендикулярна к данной плоскости, то это не значит, что она перпендикулярна и к произвольной прямой, параллельной этой плоскости.
Например, на рисунке ниже , и пересекаются по прямой b , причем a входит в одной из плоскостей и . Следовательно, прямая a в то же время параллельная двум перпендикулярным плоскостям.