空间点、直线、平面之间的位置关系

官方数学老师·13 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
立体几何公理体系点线面位置关系

空间点、直线、平面之间的

用图解厘清点线面位置关系的判定依据与常见边界

按 空格/→ 演示下一步

1 / 13 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

立体几何公理体系点线面位置关系

空间点、直线、平面之间的

用图解厘清点线面位置关系的判定依据与常见边界

1第 1 页 · 空间点、直线、平面之间的

空间位置关系判定

上页我们知道空间有三大主角:点、线、面。但「它们在一起是什么关系」还得有个判定方法。比如一支铅笔斜放在桌面上——它是属于桌面,还是和桌面相交?这就是这一页要回答的问题。

六种元素组合
点与点、点与线、点与面、线与线、线与面、面与面两两配对
三大关系类型
属于(包含)、平行、相交(含异面),所有空间关系最终都归到这三类
判定依据
公理3(确定平面)及推论、线面平行与垂直的判定定理
判定思路
找公共元素作桥梁;用平行垂直作跳板;反证法排除其他情形
地图上判两城方位对应 →空间位置关系判定

地图先给参照系,才能说两城是平行方向、交叉延伸还是根本无公共点

2第 2 页 · 空间位置关系判定

两点确定一条直线

上页我们判定了点、直线、平面的位置关系——背后依据是立体几何公理。第一条就是「两点确定一条直线」,这个初中旧知到了空间需要重新追问:「确定」什么意思?前提是什么?为什么仍是公理?

基本陈述
过空间两个不同的点,存在且仅存在一条直线
"确定"=存在+唯一
「确定」包含「一定存在」与「仅有一条」两层含义,缺一不可
前提:两点不同
若两点重合,过这两点的直线有无穷多条,公理失效
公理地位
立体几何公理,无需也无法用更基本命题证明
典型应用
由两点求直线方程(两点式),也是后续"三点定平面"的逻辑基石
两点拉紧的橡皮筋对应 →两点确定一条直线

两端固定后绷紧的橡皮筋必沿唯一直线路径——物理上的"唯一紧绷"对应数学上的"确定"

3第 3 页 · 两点确定一条直线

平面

上页说两点定一条直线。那要「定一个面」最少需要几个点?把一张白纸向四周无限延展、永不起皱——这就是几何里所说的平面。

几何本质
没有厚度的二维表面,向四面八方无限延伸,无起点、无边界
符号表示
常用希腊字母 α、β、γ;也可用三个不共线点命名,如平面 ABC
三定一平面
公理3:不在同一直线上的三个点,可唯一确定一个平面
边界意识
平面≠桌面/纸面,无边、向四面无限延伸,所画图形只是示意
无限延展的白纸对应 →平面

纸没有厚度,向四面无限展开,不起皱不卷曲——生活中最接近平面的东西

4第 4 页 · 平面

不共线三点确定一个平面(

从「两点定一线」推想到三维空间:几个点能唯一定一个面?答案是三个,但有个隐藏前提——三点不能共线。

基本事实1
不共线的三点A、B、C,存在唯一平面α使A、B、C∈α
「不共线」不可省
三点若共线,过该直线有无穷多平面,无法唯一确定
同时保证两件事
该公理既保证平面存在,又保证其唯一
其他定面法的源头
由此可推出:线+线外一点、两相交线、两平行线各定一面
三脚架对应 →不共线三点定面

三脚不在一条线上才稳;任两脚落在一线上就成了棍,撑不起平面

5第 5 页 · 不共线三点确定一个平面(

直线与平面的关系(基本事

把笔平放在桌上、悬空不碰桌、斜插进桌面——一支笔和一张桌子之间,摆法看似千变万化,归根到底只有三种关系。

直线在平面内
直线上所有点都落在平面里,公共点有无穷多个
直线与平面平行
二者没有任何公共点,无论延伸多远都不相交
直线与平面相交
恰好交于唯一一点,该点称为交点
笔和桌面对应 →直线与平面的三种位置关系

贴桌=在平面内;悬空不碰=平行;斜插一点=相交

6第 6 页 · 直线与平面的关系(基本事

平面与平面的关系(基本事

平面与平面的关系(基本事实3):定义、要点与典型应用

平面与平面的关系(基本事
平面与平面的关系(基本事实3):定义、要点与典型应用
7第 7 页 · 平面与平面的关系(基本事

确定平面的条件(推论1、2

上页用「不共线三点」钉死了一个平面。但实际动手时,手里的工具常常是一条直线、两条线……这些能不能也唯一确定一个平面?

推论1:一直线+直线外一点
直线上任取两点与外一点,三点不共线,可唯一确定平面
推论2:两条相交直线
交点+每条线上各取一点,三点不共线,可唯一确定平面
推论3:两条平行直线
两条平行线上任取三个不共线的点,可唯一确定平面
共同本质
三个推论都可还原为「不共线三点」,是公理3的不同使用形式
三种走法到同一个目的地对应 →三个推论定同一个平面

走路/骑车/坐车路径不同但终点相同;推论1、2、3形式不同,本质都回到公理3

8第 8 页 · 确定平面的条件(推论1、2

空间直线之间的位置关系

桌面上两根笔可以相交也可以平行,但只要把其中一根提起来悬空,它们就既不平行也不相交了——空间里直线有三种位置关系。

相交直线
共面,且只有一个公共点
平行直线
共面,没有公共点
异面直线
不同在任何一平面内,既不平行也不相交
讲台上的两根粉笔对应 →空间两直线的三种位置

都平放=共面(相交或平行);抬起一根斜靠墙上=异面

9第 9 页 · 空间直线之间的位置关系

空间直线与平面的位置关系

前页我们梳理了两条直线的位置关系——平行、相交、异面。现在把其中一条换成平面,会出现几种情况?

直线在平面内
直线上所有点都属于平面,公共点有无穷多个;教材用「内」字而非「上」
直线与平面平行
二者没有任何公共点,记作 l∥α
直线与平面相交
二者恰有一个公共点,称为交点
垂直:相交的特例
当相交且夹角为 90° 时,记作 l⊥α;线面角、距离、三垂线定理都依赖它
笔与桌面对应 →直线与平面三种关系

笔平放桌面→在平面内;笔身与桌面平行悬空→平行;笔尖斜插入桌面→相交;竖直插入→垂直

10第 10 页 · 空间直线与平面的位置关系

空间平面之间的位置关系

想象你站在一个长方体盒子内部——抬头看,屋顶与地板永远碰不到一起;侧头看,相邻两面墙在一条棱上交汇。这两种情形,正是两平面的全部位置关系。

两平面平行
没有公共点
两平面相交
有一条公共直线(交线)
公理4(基本事实)
不平行则必相交,且交线为直线
平行平面性质
平行平面间的距离处处相等
重要推论
两平行平面被第三个平面所截,所得两条交线平行
长方体的上下底面与相邻侧面对应 →两平面的平行与相交

上下底面无公共点=平行;相邻侧面交汇于一条棱=相交

11第 11 页 · 空间平面之间的位置关系

本节要点

  • 两点定线、三点定面,公理体系是空间几何基石
  • 异面直线是空间独有,与平面几何的分野在此
  • 线面三类关系、面面两类,其余皆为特例
  • 确定平面条件可相互转化:线线、线面、面面联动
延伸主题:异面直线所成角直线与平面所成角二面角的度量
12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先自己想一想,再看参考答案——思考过程比答案本身更有价值。

1「不共线的三点确定一个平面」——三个点共线时为何确定不了?反过来,三个点确定一个平面,能反推出它们不共线吗?

参考答案共线三点有无穷多平面经过(绕这条线「翻转」即可),无法唯一确定。但「确定平面」不能反推不共线——共线的三点也在某些平面里。「不共线」只是充分条件,不是必要条件。

2三脚架三条腿的着地点和云台中心一定共面吗?如果地面凹凸不平,这个结论会怎样变化?

参考答案平整地面上三点共面,云台也在该平面内。但崎岖地面三点高度不同、不共面,云台更不在它们确定的平面里——这正是三脚架能「自适应」地形的几何原理。

3二维里「两条相交直线确定一个点」;类比到三维,「两个平面确定一条直线」成立吗?反过来,两条直线一定能确定一个平面吗?

参考答案两个平面仅在相交时确定一条交线;平行时无交线,确定不了。两条直线也不一定能确定平面——异面直线没有任何平面能同时包含它们。

13第 13 页 · 课后思考