直线与平面垂直的判定定理的两种简证
立体几何中关于直线与平面垂直的判定定理的证明,由于构思复杂,过程繁琐,给教学带来了一定的困难.本文利用勾股定理及其逆定理给出该定理的两种简捷证明,供参考.
设g是α内的任一直线,先证明l、g都通过O点的情况.如图1,
证法1:在直线m、n上分别取点A、B,使OA=OB,P是l上异于O的一点,连结PA、PB、AB.
因为l⊥m,l⊥n,
所以PA2=PO2+OA2=PO2+OB2=PB2,
因此,△PAB、△OAB都是以AB为底边的等腰三角形.
所以AB=2PA·cos∠PAB=2OA·cos∠OAB.
设AB与g交于C,连结PC,OC.
在△PAC,△OAC中,由余弦定理得:
PC2=PA2+AC2-2PA·AC·cos∠PAC=PA2+AC2-AC·AB,
OC2=OA2+AC2-2OA·AC·cos∠OAC=OA2+AC2-AC·AB.
所以PC2=(PO2+OA2)+AC2-AC·AB=PO2+(OA2+AC2-AC·AB)=PO2+OC2. 由勾股定理的逆定理知,PO⊥OC即l⊥g.
证法2:过g上一点C在α内作直线分别交m、n于A、B,使得AC=CB.P是l上异于O的一点,连结PA、PB、PC.
因为l⊥m,l⊥n,
所以PA2=PO2+OA2,PB2=PO2+OB2.
在△PAB、△OAB中,由中线定理得
PA+PB=2(PC+AC)
OA2+OB2=2(OC2+AC2)
两式相减得(PA2-OA2)+(PB2-OB2)=2(PC2-OC2)
所以PO2+PO2=2(PC2-OC2)
PO2+OC2=PC2.
由勾股定理的逆定理知,PO⊥OC即l⊥g.
如果直线l、g中有一条或两条不经过点O,那么可过点O引它们的平行直线证得l⊥g.
综上所述,结论成立.
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