1、2.1 空间点、直线、平面之间的位置关系2.1.1 平面整体设计教学分析 平面是最基本的几何概念,教科书以课桌面、黑板面、海平面等为例,对它只是加以描述而不定义.立体几何中的平面又不同于上面的例子,是上面例子的抽象和概括,它的特征是无限延展性.为了更准确地理解平面,教材重点介绍了平面的基本性质,即教科书中的三个公理,这也是本节的重点.另外,本节还应充分展现三种数学语言的转换与翻译,特别注意图形语言与符号语言的转换.三维目标1.正确理解平面的几何概念,掌握平面的基本性质.2.熟练掌握三种数学语言的转换与翻译,结合三个公理的应用会证明共点、共线、共面问题.3.通过三种语言的学习让学生感知数学语言的
2、美,培养学生学习数学的兴趣.重点难点 三种数学语言的转换与翻译,利用三个公理证明共点、共线、共面问题.课时安排 1课时教学过程导入新课思路1.(情境导入) 大家都看过电视剧西游记吧，如来佛对孙悟空说：“你一个跟头虽有十万八千里，但不会跑出我的手掌心”.结果孙悟空真没有跑出如来佛的手掌心，孙悟空可以看作是一个点，他的运动成为一条直线，大家说如来佛的手掌像什么？对，像一个平面，今天我们开始认识数学中的平面.思路2.(事例导入)观察长方体（图1），你能发现长方体的顶点、棱所在的直线，以及侧面、底面之间的关系吗？图1 长方体由上、下、前、后、左、右六个面围成.有些面是平行的，有些面是相交的；有些棱所在
3、的直线与面平行，有些棱所在的直线与面相交；每条棱所在的直线都可以看成是某个面内的直线等等.空间中的点、直线、平面之间有哪些位置关系呢？本节我们将讨论这个问题.推进新课新知探究提出问题怎样理解平面这一最基本的几何概念;平面的画法与表示方法;如何描述点与直线、平面的位置关系？直线与平面有一个公共点，直线是否在平面内？直线与平面至少有几个公共点才能判断直线在平面内？根据自己的生活经验，几个点能确定一个平面？如果两个不重合的平面有一个公共点，它们的位置关系如何？请画图表示;描述点、直线、平面的位置关系常用几种语言？自己总结三个公理的有关内容.活动：让学生先思考或讨论，然后再回答，经教师提示、点拨，对回
4、答正确的学生及时表扬，对回答不准确的学生提示引导考虑问题的思路.对有困难的学生可提示如下：回忆我们学过的最基本的概念（原始概念），如点、直线、集合等.我们的桌面看起来像什么图形？表示平面和表示点、直线一样，通常用英文字母或希腊字母表示.点在直线上和点在直线外；点在平面内和点在平面外.确定一条直线需要几个点？引导学生观察教室的门由几个点确定.两个平面不可能仅有一个公共点，因为平面有无限延展性.文字语言、图形语言、符号语言.平面的基本性质小结.讨论结果：平面与我们学过的点、直线、集合等概念一样都是最基本的概念（不加定义的原始概念），只能通过对它描述加以理解，可以用它定义其他概念，不能用其他概念来定
5、义它，因为它是不加定义的.平面的基本特征是无限延展性，很像如来佛的手掌(吴承恩的立体几何一定不错).我们的桌面看起来像平行四边形，因此平面通常画成平行四边形，有些时候我们也可以用圆或三角形等图形来表示平面，如图2.平行四边形的锐角通常画成45，且横边长等于其邻边长的2倍.如果一个平面被另一个平面遮挡住，为了增强它的立体感，我们常把它遮挡的部分用虚线画出来，如图3. 图2 图3 平面的表示法有如下几种：（1）在一个希腊字母、的前面加“平面”二字，如平面、平面、平面等，且字母通常写在平行四边形的一个锐角内(图4)；（2）用平行四边形的四个字母表示，如平面ABCD（图5）；（3）用表示平行四边形的两
6、个相对顶点的字母来表示，如平面AC（图5）. 图4 图5下面我们总结点与直线、平面的位置关系如下表：点A在直线a上（或直线a经过点A）Aa元素与集合间的关系点A在直线a外（或直线a不经过点A）Aa点A在平面内（或平面经过点A）A点A在平面外（或平面不经过点A）A直线上有一个点在平面内，直线没有全部落在平面内(图7)，直线上有两个点在平面内，则直线全部落在平面内.例如用直尺紧贴着玻璃黑板，则直尺落在平面内.公理1：如果一条直线上的两个点在一个平面内，那么这条直线上所有的点都在这个平面内.这是用文字语言描述，我们也可以用符号语言和图形语言（图6）描述. 空间图形的基本元素是点、直线、平面.从运动的
7、观点看，点动成线，线动成面，从而可以把直线、平面看成是点的集合，因此它们之间的关系除了用文字和图形表示外，还可借用集合中的符号语言来表示.规定直线用两个大写的英文字母或一个小写的英文字母表示，点用一个大写的英文字母表示，而平面则用一个小写的希腊字母表示.公理1也可以用符号语言表示：若Aa,Ba,且A,B,则a. 图6 图7请同学们用符号语言和图形语言描述直线与平面相交.若Aa,Ba,且A,B,则a.如图（图7）.在生活中，我们常常可以看到这样的现象：三脚架可以牢固地支撑照相机或测量用的平板仪等等. 上述事实和类似的经验可以归纳为下面的公理.公理2：经过不在同一直线上的三点，有且只有一个平面.如
8、图（图8）.图8公理2刻画了平面特有的性质，它是确定一个平面位置的依据之一.我们用平行四边形来表示平面，那么平面是不是只有平行四边形这么个范围呢？不是，因为平面是无限延展的.直线是可以落在平面内的，因为直线是无限延伸的，如果平面是有限的，那么无限延伸的直线又怎么能在有限的平面内呢？所以平面具有无限延展的特征.现在我们根据平面的无限延展性来观察一个现象（课件演示给学生看）.问：两个平面会不会只有一个公共点？不会，因为平面是无限延展的，应当有很多公共点.正因为平面是无限延展的，所以有一个公共点，必有无数个公共点.那么这无数个公共点在什么位置呢？可见，这无数个公共点在一条直线上. 这说明，如果两个平
9、面有一个公共点，那么它们有且只有一条通过这个点的公共直线.此时，就说两平面相交，交线就是公共点的集合，这就是公理3.如图（图9），用符号语言表示为：P,且P=l,且Pl.图9 公理3告诉我们，如果两个不重合的平面有一个公共点，那么这两个平面一定相交，且其交线一定过这个公共点.也就是说，如果两个平面有一个公共点，那么它们必定还有另外一个公共点，只要找出这两个平面的两个公共点，就找出了它们的交线. 由此看出公理3不仅给出了两个平面相交的依据，还告诉我们所有交点在同一条直线上，并给出了找这条交线的方法.描述点、直线、平面的位置关系常用3种语言:文字语言、图形语言、符号语言.“平面的基本性质”小结：名
10、称作用公理1判定直线在平面内的依据公理2确定一个平面的依据公理3两平面相交的依据应用示例思路1例1 如图10，用符号语言表示下列图形中点、直线、平面之间的位置关系.图10活动：学生自己思考或讨论，再写出（最好用实物投影仪展示写的正确的答案）.教师在学生中巡视，发现问题及时纠正，并及时评价.解：在（1）中，=l,a=A,a=B.在（2）中，=l,a,b,al=P,bl=P.变式训练1.画图表示下列由集合符号给出的关系：(1)A,B,Al,Bl;(2)a,b,ac,bc=P,=c.解：如图11.图112.根据下列条件，画出图形.（1）平面平面=l，直线AB，ABl，EAB，直线EF=F，Fl;（2
11、）平面平面=a，ABC的三个顶点满足条件:Aa，B，Ba，C，Ca.答案：如图12.图12点评：图形语言与符号语言的转换是本节的重点，主要有两种题型：(1)根据图形，先判断点、直线、平面的位置关系，然后用符号表示出来.(2)根据符号，想象出点、直线、平面的位置关系，然后用图形表示出来.例2 已知直线a和直线b相交于点A.求证：过直线a和直线b有且只有一个平面.图13证明：如图13,点A是直线a和直线b的交点,在a上取一点B，b上取一点C，根据公理2经过不在同一直线上的三点A、B、C有一个平面，因为A、B在平面内，根据公理1，直线a在平面内,同理直线b在平面内，即平面是经过直线a和直线b的平面.
12、又因为A、B在a上，A、C在b上，所以经过直线a和直线b的平面一定经过点A、B、C.于是根据公理2，经过不共线的三点A、B、C的平面有且只有一个，所以经过直线a和直线b的平面有且只有一个.变式训练求证：两两相交且不共点的四条直线在同一平面内.证明：如图14，直线a、b、c、d两两相交，交点分别为A、B、C、D、E、F,图14直线a直线b=A,直线a和直线b确定平面设为，即a,b.B、Ca，E、Fb,B、C、E、F.而B、Fc，C、Ed,c、d,即a、b、c、d在同一平面内.点评：在今后的学习中经常遇到证明点和直线共面问题，除公理2外，确定平面的依据还有：(1)直线与直线外一点.(2)两条相交直
13、线.(3)两条平行直线.思路2例1 如图15，已知=EF,A,C、B,BC与EF相交，在图中分别画出平面ABC与、的交线.图15活动：让学生先思考或讨论，然后再回答，经教师提示、点拨，对回答正确的学生及时表扬，对作图不准确的学生提示引导考虑问题的思路.解：如图16所示，连接CB，C,B,直线CB.图16直线CB平面ABC，平面ABC=直线CB.设直线CB与直线EF交于D,=EF,D,D平面ABC.A,A平面ABC，平面ABC=直线AD.变式训练1.如图17，AD平面=B,AE平面=C，请画出直线DE与平面的交点P，并指出点P与直线BC的位置关系.图17解：AD和AC是相交直线，它们确定一个平面
14、ABC，它与平面的交线为直线BC，DE平面ABC，DE与的交点P在直线BC上.2.如图18，正方体ABCDA1B1C1D1的棱长为8 cm，M、N、P分别是AB、A1D1、BB1的中点，图18(1)画出过M、N、P三点的平面与平面A1B1C1D1的交线，以及与平面BB1C1C的交线.(2)设过M、N、P三点的平面与B1C1交于点Q，求PQ的长.解：(1)设M、N、P三点确定的平面为，则与平面AA1B1B的交线为直线MP，设MPA1B1=R，则RN是与平面A1B1C1D1的交线，设RNB1C1=Q，连接PQ，则PQ是所要画的平面与平面BB1C1C的交线.如图18.(2)正方体棱长为8 cm，B1
15、R=BM=4 cm，又A1N=4 cm，B1Q=A1N,B1Q=4=（cm）.在PB1Q中，B1P=4 cm，B1Q=cm，PQ=cm.点评：公理3给出了两个平面相交的依据，我们经常利用公理3找两平面的交点和交线.例2 已知ABC三边所在直线分别与平面交于P、Q、R三点，求证：P、Q、R三点共线.解：如图19,A、B、C是不在同一直线上的三点,图19过A、B、C有一个平面.又AB=P，且AB,点P既在内又在内.设=l,则Pl,同理可证：Ql,Rl,P、Q、R三点共线.变式训练 三个平面两两相交于三条直线，若这三条直线不平行，求证：这三条直线交于一点. 已知平面、两两相交于三条直线l1、l2、l
16、3，且l1、l2、l3不平行.求证：l1、l2、l3相交于一点.证明：如图20，=l1，=l2，=l3，图20l1，l2，且l1、l2不平行,l1与l2必相交.设l1l2=P，则Pl1,Pl2,P=l3.l1、l2、l3相交于一点P.点评：共点、共线问题是本节的重点，在高考中也经常考查，其理论依据是公理3.知能训练 画一个正方体ABCDABCD，再画出平面ACD与平面BDC的交线，并且说明理由.解：如图21,图21FCD，F平面ACD.EAC，E平面ACD.EBD，E平面BDC.FDC，F平面DCB.EF为所求.拓展提升 O1是正方体ABCDA1B1C1D1的上底面的中心，过D1、B1、A作一
17、个截面，求证：此截面与对角线A1C的交点P一定在AO1上.解：如图22,连接A1C1、AC，图22因AA1CC1，则AA1与CC1可确定一个平面AC1，易知截面AD1B1与平面AC1有公共点A、O1，所以截面AD1B1与平面AC1的交线为AO1.又PA1C，得P平面AC1，而P截面AB1D1，故P在两平面的交线上，即PAO1.点评：证明共点、共线问题关键是利用两平面的交点必在交线上.课堂小结1.平面是一个不加定义的原始概念，其基本特征是无限延展性.2.通过三个公理介绍了平面的基本性质，及作用.名称作用公理1判定直线在平面内的依据公理2确定一个平面的依据公理3两平面相交的依据3.利用三个公理证明共面、共线、共点问题.作业课本习题2.1 A组5、6.