Các dạng toán về quan hệ vuông góc trong không gian

Nội dung text: Các dạng toán về quan hệ vuông góc trong không gian

1. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian MỤC LỤC A. MỞ ĐẦU 2 I. Lời nói đầu 2 II. Cơ sở lý thuyết 2 2.1. Các định nghĩa 2 2.2. Các định lý thường được sử dụng 3 B. NỘI DUNG 5 I. Chứng minh đường thẳng vuông góc với mặt phẳng, đường thẳng vuông góc với đường thẳng, mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng 5 1.1. Dạng 1: Chứng minh đường thẳng vuông góc với mặt phẳng 5 1.2. Dạng 2: Chứng minh hai đường thẳng vuông góc 7 1.3. Dạng 3: Chứng minh hai mặt phẳng vuông góc 9 II. Các dạng toán về góc 14 2.1. Dạng 1: Góc giữa hai đường thẳng 14 2.2. Dạng 2: Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng 16 2.3. Dạng 3: Góc giữa hai mặt phẳng 18 III. Các dạng toán về khoảng cách 22 3.1.Dạng 1: Khoảng cách từ một điểm tới một mặt phẳng 22 3.2.Dạng 2: Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau 28 C. KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 1
2. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian A. MỞ ĐẦU I. Lời nói đầu Trong môn toán ở trường phổ thông phần hình học không gian giữ một vai trò, vị trí hết sức quan trọng. Ngoài việc cung cấp cho học sinh kiến thức, kĩ năng giải toán hình học không gian, còn rèn luyện cho học sinh đức tính, phẩm chất của con người lao động mới: cẩn thận, chính xác, có tính kỉ luật, tính phê phán, tính sáng tạo, bồi dưỡng óc thẩm mĩ, tư duy sáng tạo cho học sinh. Tuy nhiên trong quá trình giảng dạy tôi nhận thấy học sinh lớp 11 rất e ngại học môn hình học không gian vì các em nghĩ rằng nó trừu tượng, thiếu tính thực tế. Chính vì thế mà có rất nhiều học sinh học yếu môn học này, về phần giáo viên cũng gặp không ít khó khăn khi truyền đạt nội dung kiến thức và phương pháp giải các dạng bài tập hình học không gian. Hình học không gian là một phần rất quan trọng trong nội dung thi đại học của Bộ giáo dục, nếu học sinh không nắm kỹ bài thì các em sẽ gặp nhiều lúng túng khi làm hai câu trong về hình học không gian trong đề thi đại học. Qua nhiều năm giảng dạy môn học này tôi cũng đúc kết được một số kinh nghiệm nhằm giúp các em tiếp thu kiến thức được tốt hơn, từ đó mà chất lượng giảng dạy cũng như học tập của học sinh ngày được nâng lên. Do đây là phần nội dung kiến thức mới nên nhiều học sinh còn chưa quen với tính tư duy trừu tượng của nó, nên tôi nghiên cứu nội dung này nhằm tìm ra những phương pháp truyền đạt phù hợp với học sinh, bên cạnh cũng nhằm tháo gỡ những vướng mắc, khó khăn mà học sinh thường gặp phải với mong muốn nâng dần chất lượng giảng dạy nói chung và môn hình học không gian nói riêng. Từ lý do trên tôi đã khai thác, hệ thống hóa các kiến thức, tổng hợp các phương pháp thành một chuyên đề: “Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian ” II. Cơ sở lý thuyết 2.1. Các định nghĩa +) Định nghĩa 1: Hai đường thẳng được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa chúng bằng 900. a  b (a,b) 900 2
3. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian +) Định nghĩa 2: Một đường thẳng được gọi là vuông góc với mặt phẳng nếu nó vuông góc với mọi đường thẳng nằm trong mặt phẳng đó. a  ( ) b  ( ) : a  b +) Định nghĩa 3: Hai mặt phẳng được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa chúng bằng 900. ( )  ( ) (( ),( )) 900 . +) Định nghĩa 4: Góc giữa hai đường thẳng a và b là góc giữa hai đường thẳng a’ và b’ cùng đi qua một điểm và lần lượt song song (hoặc trùng) với a và b. +) Định nghĩa 5: . Nếu đường thẳng a vuông góc với mặt phẳng (α) thì ta nói rằng góc giữa đường thẳng a và mặt phẳng (α) bằng 900. . Nếu đường thẳng a không vuông góc với mặt phẳng (α) thì góc giữa a và hình chiếu a’ của nó trên mặt phẳng (α) gọi là góc giữa đường thẳng a và mặt phẳng (α). +) Định nghĩa 6: Góc giữa hai mặt phẳng là góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với hai mặt phẳng đó. +) Định nghĩa 7: Khoảng cách từ điểm M đến mặt phẳng (α) (hoặc đến đường thẳng ∆) là khoảng cách giữa hai điểm M và H, trong đó H là hình chiếu vuông góc của M trên mặt phẳng (α) (trên đường thẳng ∆). +) Định nghĩa 8: Khoảng cách giữa đường thẳng a đến mặt phẳng (α) song song với a là khoảng cách từ một điểm nào đó của a đến mặt phẳng (α). +) Định nghĩa 9: Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song là khoảng cách từ một điểm bất kỳ của mặt phẳng này đến mặt phẳng kia. +) Định nghĩa 10: Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau là độ dài đoạn vuông góc chung của hai đường thẳng đó. 3
4. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian 2.2. Các định lý thường được sử dụng a  b  Định lý 1: a,b  (P)  d  (P) d  a,d  b a  (P)  Định lý 2: d  (P)  d  a a  (P) d  (P) Định lý 3: +  d '  (P) d '/ /d  (P) / /(Q) +  d  (Q) d  (P)  d / /(P)  +  d '  d d '  (P) d  (P)  Định lý 4:  (P)  (Q) d  (Q) (P)  (Q)  (P)  (Q) Định lý 5:  d  (Q) d  (P) d   (P)  (Q)  Định lý 6: (P)  (R)   (R) (Q)  (R)  4
5. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian B. NỘI DUNG I. Chứng minh đường thẳng vuông góc với mặt phẳng, đường thẳng vuông góc với đường thẳng, mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng. 1.1. Dạng 1: Chứng minh đường thẳng vuông góc với mặt phẳng 1.1.1. Phương pháp: Ta thường vận dụng định lý 1 để chứng minh. Hoặc sử dụng định lý 3, định lý 5, định lý 6 trong một số trường hợp đặc biệt 1.1.2. Các ví dụ mẫu: Ví dụ 1: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giácvvuông tại C, SA  (ABC) a) Chứng minh rằng: BC  (SAC) b) Gọi E là hình chiếu vuông góc của A trên SC. Chứng minh rằng: AE  (SBC) c) Gọi mp(P) đi qua AE và vuông góc với (SAB), cắt SB tại D. Chứng minh rằng: SB  (P) d) Đường thẳng DE cắt BC tại F. Chứng minh rằng: AF  (SAB) S Giải: a) Ta có: BC  AC (gt) (1) D Mặt khác, vì SA  (ABC)   SA  BC (2) H BC  (ABC) E A B Từ (1) và (2) suy ra: BC  (SAB) b) Ta có: AE  SC (3) (gt) C Theo a) BC  (SAB) AE  BC (4) Từ (3) và (4) suy ra: AE  (SBC) F 5
6. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian c) Ta thấy: (P)  (ADE) Theo b) AE  (SBC) BC  AE (5) Trong mp(ADE) kẻ EH  AD,H AD . Vì (ADE)  (SAB)  (ADE)  (SAB) AD EH  (SAB) SB  EH (6) EH  AD  Từ (5) và (6) suy ra: SB  (ADE) hay SB  (P) SA  (ABC)  d) Từ  AF  SA (7) AF  (ABC) Theo c) SB  (ADE) AF  SB (8) . Từ (7) và (8) suy ra: AF  (SAB) Ví dụ 2: Cho hình chóp S.ABCD, đáy ABCD là hình vuông, tam giác SAB là tam giác đều, (SAB)  (ABCD) . Gọi I, F lần lượt là trung điểm của AB và AD. Chứng minh rằng: FC  (SID) Giải: Ta có: S SI  AB  (SAB)  (ABCD) SI  (ABCD) SI  (SAB)  SI  CF (1) F D A Mặt khác, xét hai tam giác vuông ADI và H DFC có: AI=DF, AD=DC. Do đó, I AID DFC từ đó ta có: Iµ Fµ  B C 1 1 ¶ ¶ µ ¶ 0 D2 C2  F1 D2 90 A F D 2 Iµ D¶ 900 1 1 2  F· HD 900 1 H I Hay CF  ID (2) 2 6 B C
7. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Từ (1) và (2) suy ra: FC  (SID) 1.2. Dạng 2: Chứng minh hai đường thẳng vuông góc 1.2.1. Phương pháp: Ta thường sử dụng định lý 2 hoặc là các cách chứng minh vuông góc có trong hình học phẳng 1.2.2. Các ví dụ mẫu: Ví dụ 1: (D-2007) Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD là hình thang vuông tại A và B, SA  (ABCD) , AD=2a, AB=BC=a. Chứng minh rằng: S tam giác SCD vuông Giải: Ta có: SA  (ABCD)  SA  CD(1)  I D CD  (ABCD) A + Gọi I là trung điểm của AD. Tứ giác ABCI là hình vuông. Do đó, ·ACI 450 (*). Mặt khác, CID B C là tam giác vuông cân tại I nên: B· CI 450 (*). Từ (*) và ( ) suy ra: ·ACD 900 hay AC  CD (2) Từ (1) và (2) suy ra: CD  (SAC) CD  SC hay ∆SCD vuông tại C Ví dụ 2: (B-2007) Cho hình chóp đều S.ABCD đáy ABCD là hình vuông, E là điểm đối xứng của D qua trung điểm SA. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của AE và BC. CMR: MN  BD E S Giải: Gọi I, P lần lượt là trung điểm của AB và SA, O là giao điểm của AC và BD. P M IN / / AC  Ta có:  BD  IN(1) AC  BD A D I O 7 B N C
8. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian IM / /BE Mặt khác,  IM / /PO(*) BE / /PO Mà PO  BD( ) (vì: BPD là tam giác cân tại P và O là trung điểm của BD) Từ (*) và ( ) ta có: BD  IM (2) Từ (1) và (2) ta có: BD  (IMN) BD  MN Các điểm cần chú ý khi giải ví dụ 2: + Chọn mp(IMN) với I là trung điểm của AB ( vì BD  AC nên chọn mp chứa MN và vuông góc với BD là mp(IMN)) + Sử dụng các giả thiết trung điểm để chứng minh song song. a / /b + Sử dụng định lý:  b  c a  c Ví dụ 3: (A-2007) Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD là hình vuông, tam giác SAD đều, (SAD)  (ABCD). Gọi M, N, P lần lượt là trung điểm của SB, BC và CD. Chứng minh rằng: AM  BP S Giải: Gọi I là giao diểm của AN và BP, H là trung điểm của AD, K là giao điểm của M AN và BH. Xét hai tam giác vuông ABN và BCP có: A AB=BC, BN=CP. Suy ra, K B ABN BCP B· AN C· BP, ·ANB B· PC mà H I N B· AN ·ANB 900 C· BP ·ANB 900 D P C hay AN  BP (1) SH  AD  Vì ∆SAD đều nên: (SAD)  (ABCD) SH  BP(*) . BP  (ABCD)  8
9. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Mặt khác, tứ giác ABNH là hình chử nhật nên K là trung điểm của HB hay MK / /SH ( ) Từ (*) và ( ) suy ra: BP  MH (2) Từ (1), (2) suy ra: BP  (AMN) BP  AM 1.3. Dạng 3: Chứng minh hai mặt phẳng vuông góc 1.3.1. Phương pháp: Sử dụng định lý 3 1.3.2.Các ví dụ mẫu: Ví dụ 1: Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD S là hình thoi , SA=SC. Chứng minh rằng: (SBD)  (ABCD) Giải:+ Ta có: AC  BD (1) (giả thiết) D C + Mặt khác, SO  AC (2) (SAC là tam giác cân tại A và O là trung điểm của AC nên SO là đường cao của tam giác) O A B + Từ (1) và (2) suy ra: AC  (SBD) mà AC  (ABCD) nên (SBD)  (ABCD) Ví dụ 2: (B-2006) Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật, AB=a, AD a 2 , SA  (ABCD) . Gọi M là trung điểm của AD, I là giao điểm của AC và BM. Chứng minh rằng: (SAC)  (SMB) S Giải: + Ta có: SA  (ABCD) SA  BM (1) . + Xét tam giác vuông ABM có: AB tan ·AMB 2 . Xét tam giác vuông AM A M D I B C 9
10. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian cot ·AIM cot(1800 (·AMB C· AD)) CD 1 ACD có: tanC· AD . Ta có: cot(·AMB C· AD) 0 AD 2 ·AIM 900 Hay BM  AC (2) . + Từ (1) và (2) suy ra: BM  (SAC) mà BM  (SAC) nên (SAC)  (SMB) 1.4. Bài tập: Bài tập 1: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều cạnh a. Gọi I là trung điểm a 6 của BC, D là điểm đối xứng với A qua I, SD  (ABC),SD . Chứng minh rằng: 2 a) (SBC)  (SAD) b) (SAB)  (SAC) Bài tập 2: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy laø hình vuoâng taâm O. SA  (ABCD). Goïi H, I, K laàn löôït laø hình chieáu vuoâng goùc cuûa A treân SB, SC, SD. a) CMR: BC  (SAB), CD  (SAD), BD  (SAC). b) CMR: AH, AK cuøng vuoâng goùc vôùi SC. Töø ñoù suy ra 3 ñöôøng thaúng AH, AI, AK cuøng naèm trong moät maët phaúng. c) CMR: HK  (SAC). Töø ñoù suy ra HK  AI. Bài tập 3: Cho töù dieän SABC coù tam giaùc ABC vuoâng taïi B; SA  (ABC). a) Chöùng minh: BC  (SAB). b) Goïi AH laø ñöôøng cao cuûa SAB. Chöùng minh: AH  SC. Bài tập 4: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy ABCD laø hình thoi taâm O. Bieát: SA = SC, SB = SD. a) Chöùng minh: SO  (ABCD). 10
11. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian b) Goïi I, J laàn löôït laø trung ñieåm cuûa caùc caïnh BA, BC. CMR: IJ  (SBD). Bài tập 5: Cho töù dieän ABCD coù ABC vaø DBC laø 2 tam giaùc ñeàu. Goïi I laø trung ñieåm cuûa BC. a) Chöùng minh: BC  (AID). b) Veõ ñöôøng cao AH cuûa AID. Chöùng minh: AH  (BCD). Bài tập 6: Cho töù dieän OABC coù OA, OB, OC ñoâi moät vuoâng goùc vôùi nhau. Goïi H laø hình chieáu vuoâng goùc cuûa ñieåm O treân mp(ABC). Chöùng minh raèng: a) BC  (OAH). b) H laø tröïc taâm cuûa tam giaùc ABC. 1 1 1 1 c) . OH 2 OA2 OB2 OC2 d) Caùc goùc cuûa tam giaùc ABC ñeàu nhoïn. Bài tập 7: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy laø hình vuoâng caïnh a. Maët beân SAB laø tam giaùc ñeàu; SAD laø tam giaùc vuoâng caân ñænh S. Goïi I, J laàn löôït laø trung ñieåm cuûa AB vaø CD. a) Tính caùc caïnh cuûa SIJ vaø chöùng minh raèng SI  (SCD), SJ  (SAB). b) Goïi H laø hình chieáu vuoâng goùc cuûa S treân IJ. CMR: SH  AC. c) Goïi M laø moät ñieåm thuoäc ñöôøng thaúng CD sao cho: BM  SA. Tính AM theo a. Bài tập 8: Cho hình choùp SABCD coù ñaùy laø hình vuoâng caïnh a, maët beân SAB laø tam giaùc ñeàu vaø SC = a2 . Goïi H vaø K laàn löôït laø trung ñieåm cuûa caùc caïnh AB vaø AD. a) CMR: SH  (ABCD). b) Chöùng minh: AC  SK vaø CK  SD. 11
12. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Bài tập 9: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy laø hình chöõ nhaät coù AB = a, BC = a3 , maët beân SBC vuoâng taïi B, maët beân SCD vuoâng taïi D coù SD = a5 . a) Chöùng minh: SA  (ABCD) vaø tính SA. b) Ñöôøng thaúng qua A vaø vuoâng goùc vôùi AC, caét caùc ñöôøng thaúng CB, CD laàn löôït taïi I, J. Goïi H laø hình chieáu cuûa A treân SC. Haõy xaùc ñònh caùc giao ñieåm K, L cuûa SB, SD vôùi mp(HIJ). CMR: AK  (SBC), AL  (SCD). c) Tính dieän tích töù giaùc AKHL. Bài tập 10: Goïi I laø 1 ñieåm baát kì ôû trong ñöôøng troøn (O;R). CD laø daây cung cuûa (O) qua I. Treân ñöôøng thaúng vuoâng goùc vôùi maët phaúng chöùa ñöôøng troøn (O) taïi I ta laáy ñieåm S vôùi OS = R. Goïi E laø ñieåm ñoái taâm cuûa D treân ñöôøng troøn (O). Chöùng minh raèng: a) Tam giaùc SDE vuoâng taïi S. b) SD  CE. c) Tam giaùc SCD vuoâng. Bài tập 11: Cho MAB vuoâng taïi M ôû trong maët phaúng (P). Treân ñöôøng thaúng vuoâng goùc vôùi (P) taïi A ta laáy 2 ñieåm C, D ôû hai beân ñieåm A. Goïi C laø hình chieáu cuûa C treân MD, H laø giao ñieåm cuûa AM vaø CC . a) Chöùng minh: CC  (MBD). b) Goïi K laø hình chieáu cuûa H treân AB. CMR: K laø tröïc taâm cuûa BCD. Bài tập 12: Cho tam giaùc ñeàu ABC, caïnh a. Goïi D laø ñieåm ñoái xöùng vôùi A qua BC. Treân ñöôøng thaúng vuoâng goùc vôi mp(ABC) taïi D laáy ñieåm S sao cho SD = a6 . Chöùng minh hai maët phaúng (SAB) vaø (SAC) vuoâng goùc vôùi nhau. Bài tập 13: Cho hình töù dieän ABCD coù hai maët (ABC) vaø (ABD) cuøng vuoâng goùc vôùi ñaùy (DBC). Veõ caùc ñöôøng cao BE, DF cuûa BCD, ñöôøng cao DK cuûa ACD. a) Chöùng minh: AB  (BCD). 12
13. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian b) Chöùng minh 2 maët phaúng (ABE) vaø (DFK) cuøng vuoâng goùc vôùi mp(ADC). c) Goïi O vaø H laàn löôït laø tröïc taâm cuûa 2 tam giaùc BCD vaø ADC. CMR: OH  (ADC). Bài tập 14: Cho hình choùp SABCD, ñaùy ABCD laø hình vuoâng, SA  (ABCD). a) Chöùng minh (SAC)  (SBD). b) Goïi BE, DF laø hai ñöôøng cao cuûa SBD. CMR: (ACF)  (SBC), (AEF)  (SAC). Bài tập 15: Cho hình choùp SABCD coù ñaùy ABCD laø hình vuoâng caïnh a, SA  (ABCD). a 3a Goïi M, N laø 2 ñieåm laàn löôït ôû treân 2 caïnh BC, DC sao cho BM = , DN = . Chöùng 2 4 minh 2 maët phaúng (SAM) vaø (SMN) vuoâng goùc vôùi nhau. Bài tập 16: Cho tam giaùc ABC vuoâng taïi A. Veõ BB vaø CC cuøng vuoâng goùc vôùi mp(ABC). a) Chöùng minh (ABB )  (ACC ). b) Goïi AH, AK laø caùc ñöôøng cao cuûa ABC vaø AB C . Chöùng minh 2 maët phaúng (BCC B ) vaø (AB C ) cuøng vuoâng goùc vôùi maët phaúng (AHK). Bài tập 17: Cho tam giaùc ABC vuoâng taïi A coù AB = c, AC = b. Goïi (P) laø maët phaúng qua BC vaø vuoâng goùc vôùi mp(ABC); S laø 1 ñieåm di ñoäng treân (P) sao cho SABC laø hình choùp coù 2 maët beân SAB, SAC hôïp vôùi ñaùy ABC hai goùc coù soá ño laàn löôït laø vaø . Goïi 2 H, I, J laàn löôït laø hình chieáu vuoâng goùc cuûa S treân BC, AB, AC a) Chöùng minh raèng: SH2 = HI.HJ. b) Tìm giaù trò lôùn nhaát cuûa SH vaø khi ñoù haõy tìm giaù trò cuûa . Bài tập 18: Cho hình töù dieän ABCD coù AB = BC = a, AC = b, DB = DC = x, AD = y. Tìm heä thöùc lieân heä giöõa a, b, x, y ñeå: a) Maët phaúng (ABC)  (BCD). 13
14. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian b) Maët phaúng (ABC)  (ACD). Bài tập 19: Cho hình choùp SABCD, ñaùy ABCD laø hình vuoâng caïnh a, SA  (ABCD) ; M vaø N laø hai ñieåm naèm treân caùc caïnh BC, CD. Ñaët BM = x, DN = y. a) Chöùng minh raèng ñieàu kieän caàn vaø ñuû ñeå hai maët phaúng (SAM) vaø (SMN) vuoâng goùc vôùi nhau laø MN  (SAM). Töø ñoù suy ra heä thöùc lieân heä giöõa x vaø y. b) Chöùng minh raèng ñieàu kieän caàn vaø ñuû ñeå goùc giöõa hai maët phaúng (SAM) vaø (SAN) coù soá ño baèng 300 laø a(x + y) + 3 xy = a2 3 . Bài tập 20: Cho hình choùp S.ABCD coù ñaùy ABCD laø hình thoi taâm I caïnh a vaø coù goùc A a 6 baèng 600, caïnh SC = vaø SC  (ABCD). 2 a) Chöùng minh (SBD)  (SAC). b) Trong tam giaùc SCA keû IK  SA taïi K. Tính ñoä daøi IK. c) Chöùng minh B· KD 900 vaø töø ñoù suy ra (SAB)  (SAD). II. Các dạng toán về góc 2.1. Dạng 1: Góc giữa hai đường thẳng 2.1.1. Phương pháp xác định góc giữa hai đường thẳng a và b chéo nhau Cách 1: (a,b)=(a’,b’) trong đó a’, b’ là hai đường thẳng cắt nhau và lần lượt song song với a và b. Tức là, chọn ra hai đường thẳng cắt nhau và lần lượt song song với a và b Cách 2: (a,b)=(a,b’) trong đó b’ là đường thẳng cắt đường thẳng a và song S song với b. Tức là chọn trên a (hoặc b) một điểm A rồi từ đó chọn một đường thẳng qua A và song song với b (hoặc a) *) Chú ý: Các định lý hay sử dụng D 2.1.2. Các ví dụ mẫu: A 14 B C
15. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Ví dụ 1: Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình thoi cạnh a, SA a 3,SA  BC . Tính góc giữa hai đường thẳng SD và BC? BC / / AD 0 Giải: Ta có: BC//AD và  S· AD 90 . Do đó, SA  BC  (SD,BC) (SD, AD) S· DA . SA Xét tam giác vSAD vuông tại A ta có: tan S· DA 3 S· DA 600 AD Vậy góc giữa hai đường thẳng SD và BC bằng 600 Ví dụ 2: Cho tứ diện ABCD có AB=CD=2a. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của BC và AD, MN a 3 . Tính góc giữa hai đường thẳng AB và CD? Giải: Gọi I là trung điểm của BD. Ta có: IN / / AC  A  (AB,CD) (IM ,IN) . IM / /CD 2a Xét tam giác IMN có: N IM IN a,MN a 3 . Do đó, 2 2 · 2a 3a 1 a 3 cos MIN 2 2a 2 D M· IN 1200 B I 2a Vậy: (AB,CD) 1800 1200 600 M Các điểm cần chú ý khi giải ví dụ 2: C + Việc tìm góc giữa hai đường thẳng AB và CD thông qua góc giữa hai đường thẳng IM và IN nhờ vào giả thiết MN a 3 M· IN + Một số em đồng nhất (IM ,IN) M· IN là chưa chính xác mà (IM ,IN) . 0 · 180 MIN Đến đây ta có thể giải quết theo hai hướng: 15
16. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian - Chứng minh góc M· IN 900 - Tính ra cụ thể góc M· IN rồi sau đó dựa vào giá trị của góc M· IN để kết luận về giá trị của góc giữa hai đường thẳng AB và CD Ví dụ 3: (A-2008) Cho hình lăng trụ ABC.A’B’C’ có độ dài cạnh bên bằng 2a, đáy ABC là tam giác vuông tại A, AB a, AC a 3 . Hình chiếu vuông góc của A’ lên mp(ABC) là trung điểm của BC. Tính cosin của góc giữa hai đường thẳng AA’ và B’C’? Giải: Gọi H là trung điểm của BC A' Ta có: C' AA'/ /BB'   (AA',B'C ') B'C '/ /BD I (BB',BD) Hay, B' A cos(AA',B'C ') cos(BB',BD) C cos H· BB' H Xét tam giác A’B’H có B µA' 900 , A'B' a , A'H AA'2 AH 2 2 2 2 , HB' A'H A'B' 2a . 2 BC AA' a 3 2 BH 2 BB'2 HB'2 1 Do đó, cos H· BB' 2.BH.BB' 4 1 Vậy cos(AA',B'C ') cos H· BB' 4 Các điểm cần chú ý khi giải ví dụ 3: + Áp dụng cách 1 để giải bài toán này 16
17. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian + Điểm mấu chốt của bài toán này là tìm ra được độ dài của HB’ thông qua nhận xét A’H vuông góc với mp(A’B’C’) 2.2. Dạng 2: Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng 2.2.1.Phương pháp xác định góc giữa đường thẳng d và mặt phẳng (P) + Tìm I d  (P) + Tìm A thuộc d kẻ AH vuông góc với (P) + (d,(P)) ·AIH 2.2.2.Các ví dụ mẫu: Ví dụ 1: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, (SAB)  (ABCD) , H là trung điểm của AB, SH=HC, SA=AB. Tính góc giữa đường thẳng SC và mặt phẳng (ABCD) S 1 a Giải: + Ta có: AH AB , 2 2 SA AB a , a 5 SH HC BH 2 BC 2 . 2 A D 5a2 Vì SA2 AH 2 AH 2 nên tam 4 H giác SAH vuông tại A hay SA  AB mà (SAB)  (ABCD) . Do đó, B a C SA  (ABCD) và AC là hình chiếu vuông góc của SC lên mp(ABCD). SA 2 + Ta có: (SC,(ABCD)) S· CA , tan S· CA . Vậy góc giữa đường thẳng SC và AC 2 2 mặt phẳng (ABCD) là góc có tang bằng . 2 17
18. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Ví dụ 2: Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD là hình vuông cạnh a, SA vuông góc với mặt phẳng đáy, SA a 6 . Tính sin của góc giữa: a) SC và (SAB) b) AC và (SBC) Giải: S a) Ta có: BC  AB (gt) và SA  BC (vì SA  (ABCD) ) BC  (SAB) do đó: SB là hình chiếu vuông góc của SC trên mp(SAB) (SC,(SAB)) B· SC . Ta có: · sin(SC,(SAB)) sin BSC H A D BC a 2 . SC SA2 AC 2 4 b) + Trong mp(SAB) kẻ AH  SB (H SB) . Theo a) B C BC  (SAB) AH  BC nên AH  (SBC) hay CH là hình chiếu vuông góc của AC trên mp(SBC) (AC,(SBC)) ·ACH . 1 1 1 7 6 + Xét tam giác vuông SAB có: AH a. AH 2 AB2 SA2 6a2 7 AH 21 + Vậy sin(AC,(SBC)) sin ·ACH AC 7 2.3. Dạng 3: Góc giữa hai mặt phẳng 2.3.1.Phương pháp xác định góc giữa hai mặt phẳng cắt nhau (P) và (Q) + Tìm giao tuyến (P)  (Q) + Trong (P) tìm a vuông góc với ∆, trong (Q) tìm b vuông góc với ∆ và a,b cắt nhau tại I + ((P),(Q))=(a,b) 18
19. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Chú ý: Trong một số trường hợp nếu chỉ yêu cầu tính góc giữa hai mặt phẳng thì chúng ta có thể áp dụng công thức hình chiếu để tính. Công thức hình chiếu: Gọi hình (H) có diện tích S; hình (H’) là hình chiếu của (H) trên mặt phẳng (α) có diện tích S’; φ là góc giữa mặt phẳng chứa (H) và mp(α). Lúc đó, ta có công thức sau: S ' S.cos 2.3.2. Các ví dụ mẫu Ví dụ 1: Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng a. Tính số đo của góc giữa (BA’C) và (DA’C) B' C' Giải: + Kẻ BH  A'C, (H A'C) (1) + Mặt khác, ta có: BD  AC (gt) , A' D' AA'  (ABCD) AA'  BD BD  (ACA') BD  A'C (2) H Từ (1) và (2) suy ra: A'C  (BDH ) A'C  DH . Do đó, B C ((BA'C),(DA'C)) (HB,HD). A + Xét tam giác vuông BCA’ có: D 1 1 1 3 BH 2 BC 2 BA'2 2a2 2 2 BH a. DH a. 3 3 + Ta có: 2BH 2 BD2 1 C' B' cos B· HD B· HD 1200 2BH 2 2 . Vậy ((BA'C),(DA'C)) 600 A' Ví dụ 2: Cho hình lăng trụ đứng I ABC.A’B’C’, đáy ABC là tam giác cân AB=AC=a, B· AC 1200 , BB’=a, I là C B 19 A
20. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian trung điểm của CC’. Tính cosin của góc giữa hai mp(ABC) và (AB’I). Giải: + Ta thấy tam giác ABC là hình chiếu vuông góc của tam giác AB’I lên mặt phẳng (ABC). Gọi φ là góc giữa hai mặt phẳng (ABC) và (AB’I). Theo công thức hình chiếu ta có: S cos ABC . SAB 'I 1 a2 3 + Ta có: S .AB.AC.sin1200 . ABC 2 4 a 5 a 13 AI AC 2 CI 2 , AB' AB2 BB'2 a 2, IB' B'C '2 IC '2 . 2 2 1 a2 10 Suy ra: Tam giác AB’I vuông tại A nên S .AB'.AI . AB 'I 2 4 S 3 Vậy cos ABC SAB 'I 10 2.4. Bài tập Bài tập 1: (B-2008) Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh bằng 2a, SA a,SB a 3,(SAB)  (ABCD). Gọi M, N lần lượt là trung điểm của AB và BC. Tính cosin của góc giữa hai đường thẳng SM và DN? 2a 3 Bài tập 2: Cho hình chóp đều S.ABC cạnh đáy bằng a, cạnh bên bằng . Tính góc 3 giữa SA và mp(ABC) Bài tập 3: Cho hình chóp S.ABC, SA  (ABC) a) Xác định góc giữa (ABC) và (SBC) b) Giả sử tam giác ABC vuông tại B xác định góc giữa hai mp (ABC) và (SBC) Bài tập 4: Cho hình chóp tứ giác đều S. ABCD đáy ABCD là hình vuông cạnh a, SA=SB=SC=SD=a. Tính cosin của góc giữa (SAB) và (SAD). 20
21. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Bài tập 5: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy ABCD laø hình vuoâng caïnh a, taâm O; SO  (ABCD). Goïi M, N laàn löôït laø trung ñieåm cuûa caùc caïnh SA vaø BC. Bieát (M·N,(ABCD)) 600 . a) Tính MN vaø SO. b) Tính goùc giöõa MN vaø (SBD). Bài tập 6: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy ABCD laø hình vuoâng caïnh a; SA  (ABCD) vaø SA = a6 . Tính goùc giöõa: a) SC vaø (ABCD) b) SC vaø (SAB) c) SB vaø (SAC)d) AC vaø (SBC) Bài tập 7: Cho laêng truï ABC.A B C , coù ñaùy laø tam giaùc ñeàu caïnh a, AA  (ABC). Ñöôøng cheùo BC cuûa maët beân BCC B hôïp vôùi (ABB A ) goùc 300. a) Tính AA . b) Goïi N laø trung ñieåm cuûa caïnh BB . Tính goùc giöõa MN vaø (BA C ). Bài tập 8: Cho laêng truï ABC.A B C , coù ñaùy ABC laø tam giaùc vuoâng caân taïi A; AA  (ABC). Ñoaïn noái trung ñieåm M cuûa AB vaø trung ñieåm N cuûa B C coù ñoä daøi baèng a, MN hôïp vôùi ñaùy goùc vaø maët beân BCC B goùc . a) Tính caùc caïnh ñaùy vaø caïnh beân cuûa laêng truï theo a vaø . b) Chöùng minh raèng: cos = 2 sin. Bài tập 9: Cho hình choùp SABC, coù ñaùy ABC laø tam giaùc vuoâng caân vôùi BA = BC = a; SA  (ABC) vaø SA = a. Goïi E, F laàn löôït laø trung ñieåm cuûa caùc caïnh AB vaø AC. a) Tính goùc giöõa hai maët phaúng (SAC) vaø (SBC). b) Tính goùc giöõa 2 maët phaúng (SEF) vaø (SBC). Bài tập 10: Cho hình choùp SABCD, coù ñaùy ABCD laø nöûa luïc giaùc ñeàu noäi tieáp ñöôøng troøn ñöôøng kính AB = 2a; SA  (ABCD) vaø SA = a3 . 21
22. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian a) Tính goùc giöõa 2 maët phaúng (SAD) vaø (SBC). b) Tính goùc giöõa 2 maët phaúng (SBC) vaø (SCD). Bài tập 11: Cho hình vuoâng ABCD caïnh a, SA  (ABCD) vaø SA = a3 . Tính goùc giöõa caùc caëp maët phaúng sau: a) (SBC) vaø (ABC) b) (SBD) vaø (ABD) c) (SAB) vaø (SCD) a 3 Bài tập 12: Cho hình thoi ABCD caïnh a, taâm O, OB = ; SA  (ABCD) vaø SO = 3 a 6 . 3 a) Chöùng minh A· SC vuoâng. b) Chöùng minh hai maët phaúng (SAB) vaø (SAD) vuoâng goùc. c) Tính goùc giöõa hai maët phaúng (SBC) vaø (ABC). III. Các dạng toán về khoảng cách 3.1.Dạng 1: Khoảng cách từ một điểm tới một mặt phẳng 3.1.1. Cách xác định khoảng cách từ điểm M đến mp(P) Cách 1: + Tìm mp(Q) chứa M và vuông góc với mp(P) theo giao tuyến ∆ + Từ M hạ MH vuông góc với ∆ (H ) + MH = d(M,(P)) Cách 2: + Kẻ ∆//(P). Ta có: d(M,(P))= d(∆,(P)) + Chọn N . Lúc đó, d M, P d( ,(P))=d N, P 22
23. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Cách 3: d M, P MI + Nếu MN  (P) I . Ta có: d N, P NI MI + Tính d N, P và NI MI + d M, P .d N, P NI Chú ý: Điểm N ở đây ta phải chọn sao cho tìm khoảng cách từ N đến mặt phẳng (P) dễ hơn tìm khoảng cách từ M đến mp(P). 3.1.2. Các ví dụ mẫu *) Ví dụ cho cách 1: Ví dụ 1: Cho hình chóp đều S.ABC, đáy ABC có cạnh bằng a, mặt bên tạo với đáy một góc α. Tính d(A,(SBC)) theo a và α. Giải: + Gọi I là trung điểm của BC. S SI  BC  + Ta có:  BC  (SAI) và S¶IA AI  BC + Kẻ AH  SI (H SI) mà SI (SAI)  (SBC) H nên AH  (SBC) . Do đó, d(A,(SBC)) AH C + Mặt khác, xét tam giác vuông AHI có: A I a 3 AH AI.sin .sin S 2 B a 3 Vậy, d(A,(SBC)) AH .sin 2 Ví dụ 2: Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD là H K hình vuông cạnh a, SA  (ABCD) , SA=2a, D A O 23 B C
24. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian a) Tính d(A,(SBC)) b) Tính d(A,(SBD)) Giải: a) Kẻ AH  SB (H SB) (1) Ta có: SA  (ABCD) SA  BC (*) và AB  BC (gt) ( ) . Từ (*) và ( ) suy ra: BC  (SAB) BC  AH (2) . Từ (1) và (2) ta có: AH  (SBC) hay d(A,(SBC)) AH 1 1 1 5 2a + Mặt khác, xét tam giác vuông SAB có: AH . AH 2 AB2 SA2 4a2 5 2a Vậy, d(A,(SBC)) 5 b) Gọi O AC  BD Kẻ AK  SB (K SO) (1) Ta có: SA  (ABCD) SA  BD (*) và AC  BD (gt) ( ) . Từ (*) và ( ) suy ra: BD  (SAC) BC  AK (2) . Từ (1) và (2) ta có: AK  (SBD) hay d(A,(SBD)) AK 1 1 1 9 2a + Mặt khác, xét tam giác vuông SAO có: AK . AK 2 AO2 SA2 4a2 3 2a Vậy, d(A,(SBD)) . 3 S Ví dụ 3: Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD là hình vuông cạnh a, tam giác SAB đều, (SAB)  (ABCD) . Gọi I, F lần lượt là trung điểm của AB và AD. Tính d(I,(SFC)) B C Giải: Gọi K FC  ID H I K 24 A F D
25. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian + Kẻ IH  SK (H K) (1) (SAB)  (ABCD)  (SAB)  (ABCD) AB + Ta có:  SI  (ABCD) SI  (SAB) SI  AB  SI  FC (*) + Mặt khác, Xét hai tam giác vuông AID và DFC có: AI=DF, AD=DC. Suy ra, AID DFC ·AID D· FC, ·ADI D· CF mà ·AID ·ADI 900 D· FC ·ADI 900 hay FC  ID ( ) + Từ (*) và ( ) ta có: FC  (SID) IH  FC (2). Từ (1) và (2) suy ra: IH  (SFC) hay d(I,(SFC)) IH a 3 a 5 1 1 1 5 a 5 SI ,ID , DK 2 2 DK 2 DC 2 DF 2 a2 5 + Ta có: 3a 5 IK ID DK 10 1 1 1 32 3a 2 3a 2 Do đó, IH . Vậy, d(I,(SFC)) IH 2 SI 2 IK 2 9a2 8 8 *) Ví dụ cho cách 2: Ví dụ 1: (B-2011) Cho lăng trụ ABCD.A’B’C’D’, ABCD là hình chữ nhật, AB a, AD a 3 . Hình chiếu vuông góc của A’ trên (ABCD) B' C' trùng với giao điểm của AC và BD. Tính d(B',(A'BD)) A' Giải: + Gọi O là giao điểm của D' AC và BD. Vì B’C//A’D nên B’C//(A’BD). B Do đó, C O 25 H A D
26. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian d(B',(A'BD)) d(B'C,(A'BD)) d(C,(A'BD)) + Trong mặt phẳng (ABCD) kẻ A'O  (ABCD) CH  BD, (H BD) (1). Mặt khác, A'O  CH (2) Từ (1) và (2) suy ra: CH  (A'BD) d(B',(A'BD)) CH 1 1 1 4 a 3 + Xét tam giác vuông BCD có: CH . CH 2 BC 2 CD2 3a2 4 a 3 Vậy: d(B',(A'BD)) CH 4 Ví dụ 2: (A-2013) Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại A, ·ABC 300 , SBC là tam giác đều cạnh a, (SBC)  (ABC) . Tính d(C,(SAB)) S Giải: + Trong mặt phẳng (ABC) vẽ hình chữ nhật ABDC. Gọi M, I, J lần lượt là trung điểm của BC, CD và AB. Lúc đó, CD//(SAB) hay d(C,(SAB)) d(CD,(SAB)) d(I,(SAB)) + Trong mặt phẳng (SIJ) kẻ D IH  SJ, (H SJ) (1) H Mặt khác, ta có: I B IJ  AB  C M  SM  (ABC) AB  SM  J AB  (SIJ ) AB  IH (2) A Từ (1) và (2) suy ra: IH  (SAB) hay d(C,(SAB)) IH 1 1 SM.IJ + Xét tam giác SIJ có: S IH.SJ SM.IJ IH . Với: SIJ 2 2 SJ a a 3 a 13 IJ AC BC.sin300 , SM , SJ SM 2 MJ 2 . 2 2 4 26
27. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian SM.IJ a 39 a 39 Do đó: IH . Vậy d(C,(SAB)) SJ 13 13 *) Ví dụ cho cách 3: Ví dụ 1: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và D, AB=AD=a, CD=2a, SD  (ABCD) , SD=a. a) Tính d(D,(SBC)) b) Tính d(A,(SBC)) Giải: Gọi M là trung điểm của CD, E là giao điểm của hai đường thẳng AD và BC. a) Trong mặt phẳng (SBD) kẻ DH  SB, (H SB) (1) . S 1 + Vì BM AD CD Tam giác BCD 2 vuông tại B hay BC  BD (*) . Mặt khác, vì H SD  (ABCD) SD  BC ( ) . Từ (*) M và ( ) ta có: D C BC  (SBD) BC  DH (2). Từ (1) và (2) suy ra: DH  (SBC) hay d(D,(SBC)) DH A B + Xét tam giác vuông SBD có: 1 1 1 3 2a 3 DH DH 2 SD2 BD2 2a2 3 E . 2a 3 Vậy, d(D,(SBC)) 3 d(A,(SBC)) AE AB 1 1 a 3 b) Ta có: d(A,(SBC)) d(d,(SBC)) . d(D,(SBC)) DE CD 2 2 3 27
28. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian a 3 Vậy, d(A,(SBC)) 3 Ví dụ 3: (D-2011) Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại B, BA=3a, BC=4a, (SBC)  (ABC),SB 2a 3,S· BC 300 . Tính d(B,(SAC)) Giải: + Trong mặt phẳng (SBC) kẻ SM  BC (M BC) ; trong mặt phẳng (ABC) kẻ MN  AC (N AC) ; trong mặt phẳng (SMN) kẻ MH  SN (N SN) . Suy ra, MH  (SAC) d(M ,(SAC)) MH + Ta có: SM SB.sin300 a 3 , S BM SB.cos300 3a CM a , AB.CM 3a MN . Xét tam giác vuông AC 5 SMN có: 1 1 1 28 3a MH MH 2 SM 2 MN 2 9a2 28 H C 3a B M d(M ,(SAC)) 28 N + Mặt khác, ta có: d(B,(SAC)) BC 4 d(M ,(SAC)) MC 6a d(B,(SAC)) 4.d(M ,(SAC)) A 7 6a Vậy d(B,(SAC)) . 7 3.2.Dạng 2: Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau 3.2.1. Cách tính khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau d và d’ Cách 1: + Xác định đường thẳng vuông góc chung của d và d’ 28
29. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian + Tính độ dài đoạn vuông góc chung. Cách 2: +Tìm mp(P) chứa d’ và song song với d + Khi đó d(d,d ') d(d,(P)) d(A,(P)) với A là một điểm bất kỳ thuộc d Chú ý: mp(P) có thể có sẵn hoặc chúng ta phải dựng (Cách dựng: qua một điểm B d 'dựng đường thẳng ∆ song song với d, lúc đó mp(P)≡(d’,∆)). 3.2.2. Các ví dụ mẫu *) Ví dụ cho cách 1 Ví dụ 1: Cho tứ diện ABCD có AB=a, tất cả các A cạnh còn lại bằng 3a. Tính d(AB,CD) Giải: J + Gọi I, J lần lượt là trung điểm của CD và AB. + Vì ACD và ACD là các tam giác đều nên: D CD  AI,CD  BI CD  (AIB) CD  IJ (1) Mặt khác, ACD ACD nên tam giác AIB B cân tại I. Do đó, IJ  AB (2) I + Từ (1), (2) suy ra: IJ là đường vuông góc chung của AB và CD. C + Ta có: 2 2 S 2 2 3a 3 a a 26 IJ AI AJ 2 2 2 . K a 26 Vậy d(AB,CD) 2 D C Ví dụ 2: (A_2010) Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a. Gọi M, N H 29 A M B
30. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian N lần lượt là trung điểm của AB và AD, H là giao điểm của CN và DM, SH  (ABCD),SH a 3 . Tính d(DM ,SC) Giải: + Trong mp(SCH) kẻ HK  SC(1), (K SC) . SH  (ABCD)  + Mặt khác,  SH  DM (*) DM  (ABCD) Xét hai tam giác vuông AMD và DNC có AM=DN, AD=DC AMD DNC . Từ đó ta ·AMD D· NC  0 0 có: ·ADM D· CN  D· NC ·ADM 90 ·NHD 90 hay DM  CN ( ) . ·AMD ·ADM 900  Từ (*), ( ) suy ra: DM  (SCH ) DM  HK (2) . Từ (1), (2) suy ra: HK là đoạn vuông góc chung của DM và SC. CD2 a2 2a 3 + Ta có: HCD : DCN HC . CN CD2 DN 2 3 1 1 1 5 a 15 Xét tam giác vuông SHC ta có: HK HK 2 HC2 HS 2 3a2 5 a 15 Vậy d(DM ,SC) HK 5 *) Ví dụ cho cách 2 Ví dụ 1: Cho hình lăng trụ đứng ABC.A’B’C’, A C a 2 đáy ABC là tam giác đều cạnh a, AA' . 2 I Tính d(AB,CB') B Giải: + Gọi I, J lần lượt là trung điểm của AB và A’B’. H C' A' J 30 B'
31. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian AB / /(CA'B') d(AB,CB') d(AB,(CA'B')) + Ta có: + Trong mp(CIJ) kẻ d(I,(CA'B')) IH  CJ (1), (H CJ) Ta có: A'B'  (IJ ) (vì ABC. A’B’C’ là hình lăng trụ đứng) và IC  A'B' (vì ∆ABC là tam giác đều) nên A'B'  (CIJ ) IH  A'B' (2) . Từ (1), (2) suy ra: IH  (CA'B') hay d(AB,CB') IH 1 1 1 4 2 10 a 30 + Xét tam giác vuông CIJ có: IH IH 2 IC2 IJ 2 3a2 a2 3a2 10 a 30 Vậy d(AB,CB') IH 10 Ví dụ 2: Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, cạnh bên bằng a 2 . Tính d(AD,SB) S Giải: + Vì AD / / SBC d(AD,SB) d(AB,(SBC)) + Gọi O là giao điểm của AC và BD. I, J H lần lượt là trung điểm của AD và BC. A B + Trong mp(SIJ) kẻ IH  SJ,(H SJ ) (1) . I O J Theo giả thiết ta có: D C SO  (ABCD) SO  BC  BC  (SIJ ) IJ / / AB IJ  BC  IH  BC (2) Từ (1), (2) suy ra: IH  (SBC) hay d(AD,SB) IH 1 1 SO.IJ + Xét tam giác SIJ có: S IH.SJ SO.IJ IH . Với: IJ=a, SIJ 2 2 SJ 3 a. 7 SO.IJ 2a 21 SO SA2 AO2 a. ,SJ SB2 BJ 2 . Suy ra: IH . 2 4 SJ 7 31
32. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian 2a 21 Vậy d(AD,SB) IH 7 Ví dụ 3: Cho hình chóp S.ABCD, có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, tam giác SAD là tam giác đều, (SAD) vuông góc với mặt phẳng đáy. Tính d(SA,BD) Giải: + Qua A kẻ đường thẳng d song S song với BD. Gọi O là giao điểm của AC và BD; I, M lần lượt là trung điểm của AD và OD; N là giao điểm của d và IM. H D C + Ta có: M d(SA,BD) d((SA,d),BD) I O d(M ,(SA,d)) N A B + Trong mp(SMN) kẻ MH  SN (1), (H SN) SI  AD  Theo giả thiết:  SI  (ABCD) SI  d (*) Mặt khác ta có: (SAD)  (ABCD) d / /BD  BD  AO  d  MN ( ) . Từ (*), ( ) suy ra: d  (SMN) d  MH (2) . Từ (1), (2) AO / /MN  suy ra: MH  (SA,d) . 1 1 SI.MN + Xét tam giác SMN có: S MH.SN SI.MN MH với SMN 2 2 SN a 3 a 2 a 10 SI ,MN AO ,SN SI 2 IN 2 2 2 4 S SI.MN a 15 . Do đó, MH . Vậy SN 5 a 15 d(SA,BD) H 5 J Ví dụ 4: (A-2011) Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC A là tam giác vuông tai B, AB=BC=2a, hai mặt phẳng N C M I 32 B
33. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian (SAB) và (SAC) cùng vuông góc với mặt phẳng (ABC). Gọi M là trung điểm của AB, mặt phẳng qua SM và song song với BC cắt AC tại N, góc giữa hai mặt phẳng (SBC) và (ABC) bằng 600. Tính d(AB,SN) Giải: + Gọi I là trung điểm của BC. Do MN//BC nên N là trung điểm của AC. Do đó, IN//AB hay d(AB,SN) d(AB,(SNI)) . + Trong mp(ABC) kẻ AJ  IN,(J IN) (*) Trong mp(SAJ) kẻ AH  SJ,(H SJ ) (1) (SAB)  (ABC)  + Theo giải thiết ta có:  SA  (ABC) SA  IN ( ) (SAC)  (ABC) Từ (*), ( ) ta có: IN  (SAJ ) IN  AH (2) . Từ (1), (2) ta có: AH  (SIN) d(AB,SN) AH . + Ta có: ((SBC),(ABC)) S· BA 600 SA AB.tan 600 2a 3 ; AJ BI a . 1 1 1 13 12 + Xét tam giác vuông SAJ có: AH a. . AH 2 SA2 AJ 2 12a2 13 a. 156 Vậy d(AB,SN) AH 13 3.3. Bài tập a 3 Bài tập 1: Cho hình chóp S.ABCD, SA=a, các cạnh còn lại bằng . Chứng minh: 2 SA  SC . Tính d(S,(ABCD)) Bài tập 2: (D-2009) Cho hình lăng trụ đứng ABC.A’B’C’, đáy ABC là tam giác vuông tại B, AB=a, AA’=2a. Gọi M là trung điểm của A’C’, I là giao điểm của AM và A’C. Tính d(A,(IBC)) Bài tập 3: Cho hình chóp SABC, SA 3a,SA  (ABC), AB 2a, ·ABC 1200 . Tính d(A,(SBC)) 33
34. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian Bài tập 4: (D-2007) Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang , ·ABC B· AD 900 , BA=BC=a, AD=2a, SA  (ABCD) , SA a 2 . Gọi H là hình chiếu của A trên SB. Chứng minh rằng tam giác SCD vuông và tính d(H,(SCD)) Bài tập 5: Cho hình chóp S.ABCD, có đáy ABCD là hình thoi tâm O cạnh a, B· CD 600 đường cao SO=a. Tính d(AD,SB) Bài tập 6: (D-2008) Cho hình lăng trụ đứng ABC.A’B’C’ có đáy ABC là tam giác vuông cân tại B, BA=BC=a, AA' a 2 . Gọi M là trung điểm của BC. Tính d(AM ,B'C) Bài tập 7: (B-2007) Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, E là điểm đối xứng với D qua trung điểm của SA. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của AE và BC. Chứng minh rằng: MN  BD . Tính d(MN, AC) Bài tập 8: Cho hình töù dieän OABC, trong ñoù OA, OB, OC = a. Goïi I laø trung ñieåm cuûa BC. Haõy döïng vaø tính ñoä daøi ñoaïn vuoâng goùc chung cuûa caùc caëp ñöôøng thaúng: a) OA vaø BC. b) AI vaø OC. Bài tập 9: Cho hình choùp SABCD, ñaùy ABCD laø hình vuoâng taâm O, caïnh a, SA  (ABCD) vaø SA = a. Tính khoaûng caùch giöõa hai ñöôøng thaúng: a) SC vaø BD. b) AC vaø SD. Bài tập 10: Cho töù dieän SABC coù SA  (ABC). Goïi H, K laàn löôït laø tröïc taâm cuûa caùc tam giaùc ABC vaø SBC. a) Chöùng minh ba ñöôøng thaúng AH, SK, Bc ñoàng qui. b) Chöùng minh SC  (BHK), HK  (SBC). c) Xaùc ñònh ñöôøng vuoâng goùc chung cuûa BC vaø SA. Bài tập 11: a) Cho töù dieän ABCD. Chöùng minh raèng neáu AC = BD, AD = BC thì döôøng vuoâng goùc chung cuûa AB vaø CD laø ñöôøng noái caùc trung ñieåm I, K cuûa hai caïnh AB vaø CD . 34
35. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian b) Chöùng minh raèng neáu ñöôøng thaúng noái caùc trung ñieåm I, K cuûa hai caïnh AB vaø CD cuûa töù dieän ABCD laø ñöôøng vuoâng goùc chung cuûa AB vaø CD thì AC = BD, AD = BC. Bài tập 12: Cho hình vuoâng ABCD caïnh baèng a, I laø trung ñieåm cuûa AB. Döïng IS  a 3 (ABCD) vaø IS = . Goïi M, N, P laàn löôït laø trung ñieåm cuûa caùc caïnh BC, SD, SB. Haõy 2 döïng vaø tính ñoä daøi ñoaïn vuoâng goùc chung cuûa caùc caëp ñöôøng thaúng: a) NP vaø AC b) MN vaø AP. Bài tập 13: Cho hình choùp SABCD, coù SA  (ABCD) vaø SA = a6 , ñaùy ABCD laø nöûa luïc giaùc ñeàu noäi tieáp trong ñöôøng troøn ñöôøng kinh AD = 2a. a) Tính caùc khoaûng caùch töø A vaø B ñeán maët phaúng (SCD). b) Tính khoaûng caùch töø ñöôøng thaúng AD ñeán maët phaúng (SBC). c) Tính dieän tích cuûa thieát dieän cuûa hình choùp SABCD vôùi maët phaúng (P) song song a 3 vôùi mp(SAD) vaø caùch (SAD) moät khoaûng baèng . 4 Bài tập 14: Cho hình laêng truï ABC.A B C coù AA  (ABC) vaø AA = a, ñaùy ABC laø tam giaùc vuoâng taïi A coù BC = 2a, AB = a3 . a) Tính khoaûng caùch töø AA ñeán maët phaúng (BCC B ). b) Tính khoaûng caùch töø A ñeán (A BC). c) Chöùng minh raèng AB  (ACC A ) vaø tính khoaûng caùch töø A ñeán maët phaúng (ABC ). Bài tập 15: Cho hình choùp SABCD coù ñaùy ABCD laø hình vuoâng caïnh a, SA  (ABCD) vaø SA = 2a. a) Tính khoaûng caùch töø A ñeán mp(SBC), töø C ñeán mp(SBD). 35
36. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian b) M, N laàn löôït laø trung ñieåm cuûa AB vaø AD. Chöùng minh raèng MN song song vôùi (SBD) vaø tính khoaûng caùch töø MN ñeán (SBD). c) Maët phaúng (P) qua BC caét caùc caïnh SA, SD theo thöù töï taïi E, F. Cho bieát AD a 2 caùch (P) moät khoaûng laø , tính khoaûng caùch töø S ñeán maët phaúng (P) vaø dieän tích 2 töù giaùc BCFE. Bài tập 16: Cho hai tia cheùo nhau Ax, By hôïp vôùi nhau goùc 60 0, nhaän AB = a laøm ñoaïn vuoâng goùc chung. Treân By laáy ñieåm C vôùi BC = a. Goïi D laø hình chieáu cuûa C treân Ax. a) Tính AD vaø khoaûng caùch töø C ñeán mp(ABD). b) Tính khoaûng caùch giöõa AC vaø BD. Bài tập 17: Cho hình choùp S.ABCD coù ñaùy ABCD laø hình thoi caïnh a vaø B· AD 600 . Goïi 3a O laø giao ñieåm cuûa AC vaø BD. Ñöôøng thaúng SO  (ABCD) vaø SO = . Goïi E laø trung 4 ñieåm cuûa BC, F laø trung ñieåm cuûa BE. a) Chöùng minh (SOF)  (SBC). b) Tính caùc khoaûng caùch töø O vaø A ñeán (SBC). 36
37. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian C. KẾT LUẬN Qua đề tài này, một lần nữa chúng ta có thể khẳng định về tầm quan trọng của hình học không gian đối với Toán học nói chung và Toán học phổ thông nói riêng. Việc tiếp thu tốt phần này đòi hỏi người học có tính tưởng tượng phong phú, ngoài ra giáo viên cần trang bị cho các em một lớp các dạng toán và cách giải tương ứng. Trên đây là một số kinh nghiệm của bản thân được đúc kết trong quá trình giảng dạy, sẽ có nhiều thiếu sót mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để cho đề tài được hoàn thiện và đi vào áp dụng. Xin chân thành cảm ơn! 37
38. Các dạng Toán về quan hệ vuông góc trong không gian TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Anh Trường (2013), Tài liệu tổng ôn tập hình học không gian. Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội. 2. Trần Văn Thương, Phạm Đình, Lê Văn Đỗ, Cao Quang Đức (2001), Phân loại và phương pháp giải toán hình học không gian. Nhà xuất bản đại học quốc gian Thành phố Hồ Chí Minh. 3. diendantoanhoc.net Đồng hới, ngày 09 tháng 05 năm 2014 Người viết sáng kiến kinh nghiệm: Lê Duy Hiền Ý KIẾN VÀ XẾP LOẠI CỦA TỔ TOÁN: Ý KIẾN VÀ XẾP LOẠI CỦA HĐKH NHÀ TRƯỜNG: 38