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第 03 讲 直线、平面平行垂直的判定与性质(练)
一、单选题
1.己知m,n是两条不重合的直线, , , 是三个不重合的平面,下列命题中正确的
是( )
A.若 ,则 B.若 ,则
C.若 ,则 D.若 ,则
【答案】D
【分析】根据空间中位置关系的性质定理和判定定理可判断各选项的正误.
【详解】对于A,若 ,则 或异面,故A错误.
对于B,若 ,则 或 相交,故B错误.
对于C,若 ,则 或 相交,故C错误.
对于D,由线面垂直的性质可得若 ,则 ,故D正确,
故选:D.
2.已知空间中 , 是两条不同的直线, , 是两个不同的平面,则下列命题正确的是
( )
A. , B. ,
C. , , 与 异面 D. , ,
【答案】B
【分析】根据空间中的线和平面,以及平面与平面的位置关系即可逐一判断.
【详解】由 , 可得 或者 ,故A错误,
由垂直于同一平面的两直线平行,可知B正确,
由 , , 可得 与 异面或者 ,故C错误,
由 , , ,当 时,不能得到 ,只有当 时,才可以得到
,故D错误,
故选:B
3.已知两条不同的直线 及两个不同的平面 ,下列说法正确的是( )
A.若 ,则
B.若 ,则 与 是异面直线
C.若 ,则 与 平行或异面
D.若 ,则 与 一定相交【答案】C
【分析】由面面平行的性质可判断ABC,由线面平行的判定定理可判断D
【详解】若 ,则直线 没有交点,故 与 平行或异面,故A,B错
误,C正确;
若 ,当 时, 与 平行,故D错误故选:C
4.设 为两条直线, 为两个平面,下列四个命题中正确的是( )
A.若 与 所称的角相等,则 B.若 ,则
C.若 ,则 D.若 ,则
【答案】B
【分析】根据平行和垂直的性质定理,并进行判断.
【详解】对于选项A,将一个圆锥放到平面上,则它的每条母线与平面所成的角都是相等的,
故“若 与 所称的角相等,则 ”故A错;
对于选项C,若 ,则 位置关系可能是平行,相交或异面,故C错;
对于选项D,若 ,则 是错误的,两平面 还可能是相交平面;故
D错;
对于选项B,若 ,则 ,两个平面垂直时,与它们垂直的两个方
向一定是垂直的.
故选:B.
5.三棱柱 中, 面 , 则下列两条直线中,不互相垂直的
是( )
A. 和 B. 和 C. 和 D. 和
【答案】B
【分析】根据线面垂直的性质以及判定即可得到线线垂直,由选项即可逐一求解.
【详解】对于A,因为 平面 , 平面 ,所以 ;
对于B, 与 不一定垂直;对于C,因为 , ,且 , 平面 ,所以
平面 , 平面 ,所以 ;
对于D,因为 平面 , ,所以 平面 , 平面 ,所以
,
又 ,且 , 平面 ,所以 平面 ,
又 平面 ,所以 C. 故选:B.
6(理科).如图,在正四棱柱 中, 是棱 的中点,点
在棱 上,且 .若过点 的平面与直线 交于点 ,则 ( )
A. B. C. D.
【答案】A
【分析】建立空间直角坐标系,表示出点的坐标,设 ,由面面平行的性质得到
平面 ,再由线面平行的性质得到 ,根据向量共线的坐标表示计算可得.
【详解】解:以 为坐标原点,以 , , 的方向分别为 , , 轴,建立如
图所示的空间直角坐标系,
则 , , , ,
设 ,则 .
因为平面 平面 , 平面 ,
所以 平面 ,
因为平面 平面 , 平面 ,所以 ,
则 ,即 ,即 ,解得 ,故 .故选:A
二、填空题
7.空间四边形 中, ,则异面直线 与 所成的角的大小为
___________.
【答案】
【分析】取 中点 ,连接 ,由 证 平面 ,再证
即可得所求角度.
【详解】
空间四边形 中,取 中点 ,连接 ,
因为 ,所以 ,
因为 , 平面 ,所以 平面 ,
因为 平面 ,所以 ,所以 与 所成的角为 .
故答案为:
8.正棱锥的高为2,侧棱与底面所成角为 ,则该正棱锥的侧棱长为______.
【答案】
【分析】先求出 ,再根据勾股定理求出 即可.
【详解】如图所示, 是一个正四棱锥,,且有 ,
侧棱 与底面所成角为 ,
所以 ,所以侧棱 ,
故答案为:
9.如图, 是 的二面角 棱 上的两点,线段 、 分别在平面 内,
且 , , , , ,则线段 的长为______.
【答案】4
【分析】作辅助线使 为二面角的平面角,由余弦定理求出 ,再通过证明 平
面EAC,得出 ,通过勾股定理即可求解.
【详解】如图所示:
在平面 中,过A作直线平行于BD,
在其上取一点E,使AE=BD,连接EC、ED.由 ,则 即为 的平面角,
则 .
在 中,由余弦定理得:
,
四边形EABD是平行四边形,则ED=AB=3.
由 平面EAC,结合 得 平面EAC,
平面EAC,则 , 是直角三角形.
由勾股定理 .
故答案为:4
10.a,b,c是空间中互不重合的三条直线,下面给出五个命题:
①若a b,b c,则a c;
②若a b,b c,则a c;
③若a与b相交,b与c相交,则a与c相交;
④若a 平面 ,b 平面 ,则a,b一定是异面直线;
上述命题中正确的是_______(只填序号).
【答案】①
【分析】对于①,用平行的传递性即可判断;对于②,利用直线垂直的性质即可判断;对
于③,利用直线的位置关系判断;对于④,利用异面直线的定义判断
【详解】解:①根据空间直线平行的平行公理可知,若a b,b c,则a c,所以①正确;
②在空间中,若a b,b c时, 与 可以相交、平行,也可以异面,所以②错误;
③在空间中,若a与b相交,b与c相交, 与 可以相交、平行,也可以异面,所以③错
误;
④若a 平面 ,b 平面 ,并不能说明 与 不在同一个平面内, 与 可以平行、相
交,也可能是异面直线,所以④错误,
故答案为:①.
三、解答题
11(理科).如图,在正三棱柱 中,底面边长为2, ,D为 的中点,
点E在棱 上,且 ,点P为线段 上的动点.(1)求证: ;
(2)若直线 与 所成角的余弦值为 ,求平面 和平面 的夹角的余弦值.
【解析】(1)在矩形 中, ,D为 的中点,
所以 ,所以 ,
因为 是正三角形,D为 的中点,
所以 ,又因为 是正三棱柱,所以 平面 ,
而 平面 ,所以 ,而 平面 ,
所以 平面 ,因为 平面 ,所以 ,
因为 平面 ,点P为线段 上,
所以 平面 ,而 平面 ,所以 ;
(2)
如图以 的中点为坐标原点建立空间直角坐标系 ,如图,
则 ,设 ,则 ,
所以 ,即 ,解得 ,
所以 ,
设 为平面 的法向量,则
令 ,则 ,所以 ,
取 为平面 的法向量,所以 ,
所以平面 与平面 的夹角的余弦值为 .
12.四棱锥 中, 平面 ,四边形 为菱形, ,
为 的中点.
(1)求证:平面 平面 ;
(2)求 与平面 所成的角的正切值;
【解析】(1)∵四边形ABCD为菱形,∴ ,∵ ,∴ 为等边三
角形,∴ ,在 中,E是AD中点,∴ ,∵ 平面ABCD,
平面ABCD,∴ ,∵ , 平面PAD, 平面PAD,∴
平面PAD,
∵ 平面PCE,∴平面 平面PAD.
(2)∵ 平面PAD,∴斜线PC在平面内的射影为PE,
即 是PC与平面PAD所成角的平面角,
∵ 平面ABCD, 平面ABCD,∴ ,
在 中, ,在 中, ,
∵ 平面PAD, 平面PAD,∴ ,在 中, ,∴PC与平面PAD所成角的正切值为 .
一、单选题
1.已知矩形ABCD中, ,将 沿BD折起至 ,当 与AD所成
角最大时,三棱锥 的体积等于( )
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】先判断当 与 所成角最大时, ,进而证得 面 ,再证得
是直角三角形,故可由 求得结果.
【详解】因为异面直线最大角为直角,故当 时, 与 所成角最大,
因为四边形 是矩形,所以 ,
又 , , 面 ,
故 面 ,又因为 面 ,所以 ,
在 中, ,所以 ,
又 ,所以 ,故 ,
所以 .故选:C.
2.设α是空间中的一个平面,l,m,n是三条不同的直线,则( )
A.若m α,n α,l⊥m,l⊥n,则l⊥α
B.若l m,m n,l⊥α,则n⊥α
⊂ ⊂
C.若l m,m⊥α,n⊥α,则l⊥n
D.若m α,n⊥α,l⊥n,则l m
【答案】B
⊂
【分析】根据线面垂直的判定定理可判断A;根据线面垂直的性质结论可判断B,C;根据
线面垂直的性质结合空间直线的位置关系可判断D.
【详解】由α是空间中的一个平面,l,m,n是三条不同的直线,知:在A中,若m α,n α,l⊥m,l⊥n,由于m,n不一定相交,
则l与α相交、平行或l α,即l不一定垂直于α,故A错误;
⊂ ⊂
在B中,若l m,m n,则l n,又因为l⊥α, 故n⊥α,故B正确;
⊂
在C中,若l m,m⊥α,n⊥α,则l n,故C错误;
在D中,若m α,n⊥α,l⊥n,则l与m相交、平行或异面,故D错误.故选:B.
3.已知正方体⊂ 的边长为2,点E,F分别为棱CD, 的中点,点P为
四边形 内(包括边界)的一动点,且满足 平面BEF,则点P的轨迹长为
( )
A. B.2 C. D.1
【答案】A
【分析】通过作图,利用面面平行找到点P的轨迹,从而求得其长度,即得答案.
【详解】画出示意图如下:
取 中点N,取 中点M,连接 ,
则 ,则四边形 为平行四边形,所以 BE,
连接 ,则 ,故MN EF,
又 , 平面 平面BEF,
所以平面BEF 平面BMN,
1
平面 ∩平面 =MN,所以P点轨迹即为MN,
长度为 ;
证明:因为平面BEF 平面 ,
P点是MN上的动点,故 平面 ,
所以 平面BEF,满足题意.故选:A.
4.如图,在正方体ABCD﹣ABC D 中,AB=2,P为CC 的中点,点Q在四边形DCC D
1 1 1 1 1 1 1内(包括边界)运动,若AQ∥平面ABP,则AQ的最小值为( )
1
A.1 B. C. D.
【答案】B
【分析】由线面平行与面面平行的判定定理求解即可
【详解】取C D,DD,CD,FG中点分别为E、F、G,H,连接EP,AF,FG,AG,
1 1 1
AH,如图所示:
∵P为CC 的中点,
1
则平面ABP即为平面ABPE,EP∥DB,FG∥DB,AE∥AG,EP∥FG,
1 1 1
∵FG 平面ABPE,AG 平面ABPE,
1 1
∴FG∥平面ABPE,AG∥平面ABPE,
⊄ 1 ⊄ 1
又FG∩AG=G,FG 平面AFG,AG 平面AFG,
∴AFG∥平面ABP,
1 ⊂ ⊂
∴当Q运动到FG中点H时,此时AH 平面AFG,AH∥平面ABP,AQ的最小值为AH,
1
∵AB=2,
⊂
∴AF=AG ,FG ,
在Rt AFH中,AH ,
△
故AQ的最小值为 ,故选:B.
5.在棱长为1的正方体ABCD﹣ABC D 中,点M,N分别是棱BC,CC 的中点,动点P
1 1 1 1 1
在正方形BCC B(包括边界)内运动.若 平面AMN,则PA 的最小值是( )
1 1 1A.1 B. C. D.
【答案】C
【分析】由 平面 ,可以找到 点在右侧面的运动轨迹,从而求出 的最小值
【详解】
如图所示,取 的中点 , 的中点 ,连接 ,
因为 分别是棱 的中点,所以 , ,
又因为 , , ,
所以平面 平面 , 平面 ,且 点在右侧面,
所以 点的轨迹是 ,且 , ,
所以当 点位于 中点 处时, 最小,
此时, .故选:C
6.在正方体 中,则下列判断错误的是( )
A. 平面 B.平面 ∥平面
C.直线 过 的垂心 D.平面 与平面 夹角为
【答案】D
【分析】由题意可得 , ,进而得 平面 ,从而判断A正确;由 ∥ ∥ ,进而得平面 ∥平面 ,从而判断B;
由三棱锥 为正三棱锥,可得直线 过 的垂心,从而判断C;
连接 交 于O点,连接 ,则可得 为平面 与平面 的夹角,在
中计算 的值,从而判断D.
【详解】解:由 ,得 平面 ,所以 ,
同理可得 ,所以 平面 ,故A正确;
由 ∥ ∥ ,得平面 ∥平面 ,故B正确;
因为三棱锥 为正三棱锥(或由 两两垂直)得直线 过 的
垂心,故C正确;
连接 交 于O点,连接 ,由 ,
得 为平面 与平面 的夹角,
因为 ,故D错误.故选:D.
二、填空题
7.在三棱柱 中, 底面 , , , 与平面 所
成的角为45°.当三棱柱 的体积最小时,三棱柱 外接球的表面积为
______.
【答案】
【分析】过点B作 、 ,利用线面垂直、面面垂直的判定定理、性质定
理证明面面垂直和线面垂直,得到 是 ( )与平面 所成的角,再利用底
面三角形的面积和基本不等式得到 ,进一步确定三棱柱体积的最值和外接球球心位
置和半径.
【详解】过点B作 ,垂足为D,连接 .
由 底面 , 平面 ,得 .
又 , 平面 , 平面 ,
所以 平面 .又 平面 ,所以平面 平面 .
过点B作 ,垂足为H, 平面 ,
平面 平面 ,
则 平面 , 是 在面 上的射影,
故 ,即 是 ( )与平面 所成的角,
且 ,则 .
设 , ,由 ,
得 ,即 ,解得 ,
所以当且仅当 时,三棱柱 的体积 取得最小值1,
此时,三棱柱 外接球的球心为 与 的交点O,
且该球的直径为 ,
所以球O的表面积为 .
故答案为: .
8.如图,在棱长为2的正方体 中, 、 、 分别是 , ,
的中点, 是线段 上的动点,则下列命题:
①不存在点 ,使 平面 ;
②三棱锥 的体积是定值;
③直线 平面
④经过 、 、 、 四点的球的表面积为 .
正确的是______.【答案】②③④
【分析】连接PQ, ,当Q是 的中点时,由线面平行的判定可证,即可判断①,
根据 即可判断②,证明 、 ,即可判断③,分别取 ,
的中点E,F,构造长方体 ,其体对角线就是外接球的直径,求出体对
角线的长,可求出球的表面积,即可判断④;
【详解】解:连接PQ, ,当 是 的中点时,因为 , ,所以
,
因为 平面 , 平面 ,所以 平面 ,故①错误;
因为 是线段 上的动点, 平面 ,所以 到平面 的距离,即为
到到平面 的距离 ,
所以 ,故三棱锥 的体积是定值,即②正确;
由正方体的性质可得 , 平面A B C D , 平面A B C D ,
1 1 1 1 1 1 1 1
,又 , 平面 ,所以 平面 ,
又 平面 ,所以 ,又 ,所以 ,
同理可证 平面 , 平面 ,所以 ,
, 平面 ,所以 平面 ,故③正确;
当 是 的中点时,
分别取 , 的中点E,F,构造长方体 ,
则经过 、 、 、 四点的球即为长方体 的外接球,
设所求外接球的直径为2R,
则长方体 的体对角线即为所求的球的直径,
即 ,
所以经过 、 、 、 四点的球的表面积为 ,故④正确.故答案为:②③④
9.如图,已知圆 的直径 长为 2 ,上半圆圆弧上有一点 ,点 是劣弧
上的动点,点 是下半圆弧上的动点,现以 为折线,将上、下半圆所在的平面折成
直二面角,连接 则三棱锥 的最大体积为___________.
【答案】
【分析】由于要使三棱锥 的体积最大,即三棱锥 的体积最大,
需要 的面积最大且 到平面 的距离最大,结合条件计算即可.
【详解】
如图,要使三棱锥 的体积最大,即三棱锥 的体积最大,
需要 的面积最大且 到平面 的距离最大.
当 时,最大值为 ,
平面 平面 ,平面 平面 ,
要使 到平面 的距离最大,只需要 到 的距离最大,
则 为半圆弧 的中点,此时 到平面 距离的最大值为1 .
所以,三棱锥 的最大体积为
故答案为: .
10.已知正四棱锥 的底面边长为3,高为2,若该四棱锥的五个顶点都在一个球面上,则球心到四棱锥侧面的距离为___________.
【答案】 ##
【分析】由条件确定球心位置,再由等体积法求球心到四棱锥侧面的距离.
【详解】如图所示,该四棱锥为 ,底面中心为 ,外接球球心为 ,
设 ,由题意 ,所以
所以 ,解得 ,
因为 是等腰三角形, , 边上的高为 ,
所以 ,
又 , ,
设点 到平面 的距离为 ,则三棱锥 的体积为 ,即
,解得 ,
故答案为: .
三、解答题
11.如图, 是正方形 所在平面外一点, ,且平面 平面
, , 分别是线段 , 的中点.(1)求证:
(2)求证: 平面
(3)求点 到平面 的距离.
【解析】(1)因为正方形 ,
又平面 平面
平面 平面 ,
平面 ,
所以 平面 ,
因为 平面 ,
所以 .
(2)
取 中点 ,连接 , ,
在 中,因为 , 分别是 , 的中点,
所以 ,
因为 是正方形 边 中点,
所以 ,
所以 ,
即四边形 是平行四边形,所以 ,
又因为 平面 , 平面 ,
故EF 平面
(3)
如图,设 ,连接 ,
因为 , 为 中点,
所以 ,
又平面 平面 ,平面 平面 ,
平面 ,
故 平面 ,即 是三棱锥 的高
由正方形 边 ,所以
因为 ,所以 ,
设点 到平面 的距离为 ,
因为 ,
即 ,解得 ,
所以点 到平面 的距离为 .
12(理科).如图, 在三棱锥 中, 二面角 是直二面角, ,
且 , 为 上一点, 且 平面 . 分别为棱 上
的动点, 且 .(1)证明: ;
(2)若平面 与平面 所成角的余弦值为 , 求 的值.
【解析】(1)证明: 平面 平面 ,平面 平面 , ,
且 平面 ,
平面 ,
又 平面 ,
,
又 平面 , 平面 ,
,
且 , 平面 ,
平面 ,
又 平面 ,
.
(2)
解:如图,
以点 为原点,分别以 , ,过点 且与平面 垂直的直线为x轴,y轴,z轴建
立空间直角坐标系,
设 ,则 ,
, , , ,
则 , , ,由 ,可得 ,
,
, ,
因为平面 与平面 所成角的余弦值为 ,所以 ,
设 为平面 的法向量,则 ,
即 ,令 ,则 , ,
所以 ,
取平面 的法向量 ,
则 ,
令 ,则 ,化简得 ,即 (负值舍去),
所以 .
一、单选题
1.(2022·全国·高考真题(文))在正方体 中,E,F分别为 的中
点,则( )
A.平面 平面 B.平面 平面
C.平面 平面 D.平面 平面
【答案】A
【分析】证明 平面 ,即可判断A;如图,以点 为原点,建立空间直角坐标系,
设 ,分别求出平面 , , 的法向量,根据法向量的位置关系,即可
判断BCD.
【详解】解:在正方体 中,
且 平面 ,又 平面 ,所以 ,
因为 分别为 的中点,
所以 ,所以 ,
又 ,
所以 平面 ,
又 平面 ,
所以平面 平面 ,故A正确;
选项BCD解法一:
如图,以点 为原点,建立空间直角坐标系,设 ,
则 ,
,
则 , ,
设平面 的法向量为 ,
则有 ,可取 ,
同理可得平面 的法向量为 ,
平面 的法向量为 ,
平面 的法向量为 ,
则 ,
所以平面 与平面 不垂直,故B错误;
因为 与 不平行,
所以平面 与平面 不平行,故C错误;
因为 与 不平行,
所以平面 与平面 不平行,故D错误,
故选:A.选项BCD解法二:
解:对于选项B,如图所示,设 , ,则 为平面 与平面
的交线,
在 内,作 于点 ,在 内,作 ,交 于点 ,连结 ,
则 或其补角为平面 与平面 所成二面角的平面角,
由勾股定理可知: , ,
底面正方形 中, 为中点,则 ,
由勾股定理可得 ,
从而有: ,
据此可得 ,即 ,
据此可得平面 平面 不成立,选项B错误;
对于选项C,取 的中点 ,则 ,
由于 与平面 相交,故平面 平面 不成立,选项C错误;对于选项D,取 的中点 ,很明显四边形 为平行四边形,则 ,
由于 与平面 相交,故平面 平面 不成立,选项D错误;
故选:A.
2.(2022·浙江·高考真题)如图,已知正三棱柱 ,E,F分别是棱
上的点.记 与 所成的角为 , 与平面 所成的角为 ,二面角
的平面角为 ,则( )
A. B. C. D.
【答案】A
【分析】先用几何法表示出 ,再根据边长关系即可比较大小.
【详解】如图所示,过点 作 于 ,过 作 于 ,连接 ,则 , , ,
, , ,
所以 ,故选:A.
3.(2022·全国·高考真题(理))在长方体 中,已知 与平面 和
平面 所成的角均为 ,则( )
A. B.AB与平面 所成的角为
C. D. 与平面 所成的角为
【答案】D
【分析】根据线面角的定义以及长方体的结构特征即可求出.
【详解】如图所示:
不妨设 ,依题以及长方体的结构特征可知, 与平面 所成
角为 , 与平面 所成角为 ,所以 ,即 ,
,解得 .
对于A, , , ,A错误;
对于B,过 作 于 ,易知 平面 ,所以 与平面 所成角为
,因为 ,所以 ,B错误;对于C, , , ,C错误;
对于D, 与平面 所成角为 , ,而
,所以 .D正确.故选:D.
4.(2020·山东·高考真题)已知正方体 (如图所示),则下列结论正确
的是( )
A. B. C. D.
【答案】D
【分析】根据异面直线的定义,垂直关系的转化,判断选项.
【详解】A. , 与 相交,所以 与 异面,故A错误;
B. 与平面 相交,且 ,所以 与 异面,故B错误;
C.四边形 是矩形,不是菱形,所以对角线 与 不垂直,故C错误;
D.连结 , , , ,所以 平面 ,所以
,故D正确.
故选:D
5.(2019·全国·高考真题(理))如图,点 为正方形 的中心, 为正三角形,
平面 平面 是线段 的中点,则A. ,且直线 是相交直线
B. ,且直线 是相交直线
C. ,且直线 是异面直线
D. ,且直线 是异面直线
【答案】B
【解析】利用垂直关系,再结合勾股定理进而解决问题.
【详解】如图所示, 作 于 ,连接 ,过 作 于 .
连 , 平面 平面 .
平面 , 平面 , 平面 ,
与 均为直角三角形.设正方形边长为2,易知 ,
. ,故选B.
6.(2019·浙江·高考真题)设三棱锥 的底面是正三角形,侧棱长均相等, 是棱
上的点(不含端点),记直线 与直线 所成角为 ,直线 与平面 所成角为
,二面角 的平面角为 ,则
A. B.
C. D.
【答案】B
【解析】本题以三棱锥为载体,综合考查异面直线所成的角、直线与平面所成的角、二面角的概念,以及各种角的计算.解答的基本方法是通过明确各种角,应用三角函数知识求解,
而后比较大小.而充分利用图形特征,则可事倍功半.
【详解】方法1:如图 为 中点, 在底面 的投影为 ,则 在底面投影 在线
段 上,过 作 垂直 ,易得 ,过 作 交 于 ,过 作
,交 于 ,则 ,则
,即 , ,即 ,综上
所述,答案为B.
方法2:由最小角定理 ,记 的平面角为 (显然 )
由最大角定理 ,故选B.
方法3:(特殊位置)取 为正四面体, 为 中点,易得
,故选B.
7.(2019·全国·高考真题(文))设 , 为两个平面,则 的充要条件是
A. 内有无数条直线与 平行
B. 内有两条相交直线与 平行
C. , 平行于同一条直线
D. , 垂直于同一平面
【答案】B
【分析】本题考查了空间两个平面的判定与性质及充要条件,渗透直观想象、逻辑推理素
养,利用面面平行的判定定理与性质定理即可作出判断.
【详解】由面面平行的判定定理知: 内两条相交直线都与 平行是 的充分条件,
由面面平行性质定理知,若 ,则 内任意一条直线都与 平行,所以 内两条相交直线都与 平行是 的必要条件,故选B.