Giải Toán 11 Bài 25: Hai mặt phẳng vuông góc
1. Góc giữa hai mặt phẳng, hai mặt phẳng vuông góc
Lời giải:
Vì a ⊥ (P) và a' ⊥ (P) nên a và a' trùng nhau hoặc song song với nhau.
Vì b ⊥ (Q) và b' ⊥ (Q) nên b và b' trùng nhau hoặc song song với nhau.
Do đó (a, b) = (a', b').
Câu hỏi trang 44 Toán 11 Tập 2: Góc giữa hai mặt phẳng bằng 0° khi nào, khác 0° khi nào?
Lời giải:
Xét a ⊥ (P) và b ⊥ (Q).
Khi đó (a, b) là góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q).
Góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) bằng 0° tức (a, b) = 0° khi a và b song song hoặc trùng nhau hay (P) và (Q) song song hoặc trùng nhau.
Vậy góc giữa hai mặt phẳng bằng 0° khi và chỉ khi hai mặt phẳng đó song song hoặc trùng nhau.
Góc giữa hai mặt phẳng khác 0° khi hai mặt phẳng đó giao nhau.
Lời giải:
Gọi O là giao điểm của AC và BD.
Vì SO ⊥ (ABCD) nên SO ⊥ AO và SO ⊥ BO mà (SAC) ∩ (SBD) = SO, suy ra góc giữa hai mặt phẳng (SAC) và (SBD) bằng góc giữa hai đường thẳng AO và BO.
Mà (AO, BO) = .
+) Nếu (SAC) ⊥ (SBD) thì , khi đó AC ⊥ BD mà ABCD là hình chữ nhật, suy ra ABCD là hình vuông.
+) Nếu ABCD là hình vuông thì AC ⊥ BD, suy ra hay (SAC) ⊥ (SBD).
2. Điều kiện để hai mặt phẳng vuông góc
a) Tính góc giữa a và b.
b) Tính góc giữa (P) và (Q).
Lời giải:
a) Vì a ⊥ (P) mà b ⊂ (P) nên a ^ b. Vậy (a, b) = 90°.
b) Vì a ⊥ (P) và b ⊥ (Q) nên góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) bằng góc giữa hai đường thẳng a và b mà (a, b) = 90° nên góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) bằng 90°.
Lời giải:
Vì mặt phẳng cánh cửa chứa đường thẳng nối các bản lề của cửa phòng, mà đường thẳng nối các bản lề của cửa phòng vuông góc với sàn nhà nên mặt phẳng cánh cửa chứa đường thẳng nối các bản lề của cửa phòng luôn vuông góc với sàn nhà. Do đó trong quá trình đóng – mở, cánh cửa luôn vuông góc với sàn nhà.
3. Tính chất của hai mặt phẳng vuông góc
a) Tính góc giữa a và b.
b) Tìm mối quan hệ giữa a và (Q).
Lời giải:
a) Vì a ⊥ ∆ và b ⊥ ∆ mà (P) ∩ (Q) = ∆ nên góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) bằng góc giữa hai đường thẳng a và b.
Mà góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) bằng 90° nên (a, b) = 90°.
b) Vì (a, b) = 90° nên a ⊥ b.
Có .
a) Hỏi a' có nằm trong các mặt phẳng (P), (Q) hay không?
b) Tìm mối quan hệ giữa a và a'.
c) Tìm mối quan hệ giữa a và (R).
Lời giải:
a) Vì (P) ⊥ (R) và a' là đường thẳng qua O thuộc (P) mà a' ⊥ (R) nên a' thuộc (P) hay a' nằm trong mặt phẳng (P).
Vì (Q) ⊥ (R) và a' là đường thẳng qua O thuộc (Q) mà a' ⊥ (R) nên a' thuộc (Q) hay a' nằm trong mặt phẳng (Q).
b) Vì a' nằm trong hai mặt phẳng (P) và (Q) nên a' là giao tuyến của hai mặt phẳng (P) và (Q). Lại có theo đề hai mặt phẳng (P) và (Q) cắt nhau theo giao tuyến a nên a và a' trùng nhau.
c) Vì a' ⊥ (R) mà a và a' trùng nhau nên a ⊥ (R).
a) Các mặt phẳng (AB'C'D') và (ABCD) cùng vuông góc với (SAC);
b) Giao tuyến của hai mặt phẳng (AB'C'D') và (ABCD) là đường thẳng đi qua A, nằm trong mặt phẳng (ABCD) và vuông góc với AC.
Lời giải:
a) Vì B', C', D' tương ứng là hình chiếu của A trên SB, SC, SD nên AB' ⊥ SB, AC' ⊥ SC, AD' ⊥ SD.
Vì SA ⊥ (ABCD) nên SA ⊥ BC, SA ⊥ CD.
Do ABCD là hình chữ nhật nên BC ⊥ AB, CD ⊥ AD.
Vì SA ⊥ BC và BC ⊥ AB nên BC ⊥ (SAB), suy ra (SBC) ⊥ (SAB).
Vì AB'⊥SC.
Vì SA ⊥ CD và CD ⊥ AD nên CD ⊥ (SAD), suy ra (SCD) ⊥ (SAD).
Vì AD'⊥SC.
Vì và nên SC ⊥ (AB'C'D') mà SC ⊂ (SAC) nên (SAC) ⊥ (AB'C'D').
Vì SA ⊥ (ABCD) mà SA ⊂ (SAC) nên (SAC) ⊥ (ABCD).
b) Vì ⇒ ∆ ⊥ AC.
4. Góc nhị diện
a) Theo tài liệu nói trên, góc nào trong hình bên có số đo từ 100° đến 105°.
b) Nếu thiết kế theo hướng dẫn đó thì góc giữa mặt phẳng chứa mặt ghế và mặt phẳng chứa lưng ghế có thể nhận số đo từ bao nhiêu đến bao nhiêu độ?
Lời giải:
a) Theo tài liệu nói trên, có số đo từ 100° đến 105°.
b) Vì Ox ⊥ a, Oy ⊥ a nên nếu thiết kế theo hướng dẫn đó thì góc giữa mặt phẳng chứa mặt ghế và mặt phẳng chứa lưng ghế là góc tạo bởi hai đường thẳng tương ứng chứa Ox và Oy.
Vì nên góc giữa hai đường thẳng tương ứng chứa Ox và Oy có thể nhận số đo từ 75° đến 80°.
Vậy góc giữa mặt phẳng chứa mặt ghế và mặt phẳng chứa lưng ghế có thể nhận số đo từ 75° đến 80°.
a) Chứng minh rằng là một góc phẳng của góc nhị diện [S, BC, A].
b) Tính số đo của góc nhị diện [S, BC, A].
Lời giải:
a) Xét tam giác ABC có AB = AC nên tam giác ABC cân tại A mà AM là trung tuyến nên AM là đường cao hay AM ⊥ BC.
Vì SA ⊥ (ABC) nên SA ⊥ BC mà AM ⊥ BC, suy ra BC ⊥ (SAM), do đó BC ⊥ SM.
Vì AM ⊥ BC và BC ⊥ SM nên là một góc phẳng của góc nhị diện [S, BC, A].
b) Áp dụng định lí Côsin cho tam giác ABC, có:
.
Vì M là trung điểm của BC nên .
Xét tam giác AMB vuông tại M, có
Vì SA ⊥ (ABC) nên SA ⊥ AM.
Xét tam giác SAM vuông tại A, có: .
Vậy số đo của góc nhị diện [S, BC, A] bằng 30°.
Lời giải:
Gọi I, J lần lượt là tâm của nửa hình tròn khung cửa và nửa hình tròn cánh cửa. Khi cửa mở, đường kính của khung và đường kính của cánh song song với nhau, do đó chúng cũng song song với giao tuyến m (qua O) của hai mặt phẳng tương ứng chứa khung và cánh cửa.
Vì O là điểm chính giữa của các cung tròn khung cửa và cánh cửa nên OI vuông góc với đường kính khung cửa, OJ vuông góc với đường kính cánh cửa. Vậy OI, OJ cùng vuông góc với m. Do đó là một góc phẳng nhị diện của góc nhị diện có hai nửa mặt phẳng tương ứng chứa cánh và khung cửa.
Vì m ⊥ OI, m ⊥ OJ nên m ⊥ (OIJ) ⇒ m ⊥ IJ.
Vậy IJ cũng vuông góc với các đường kính cánh cửa và khung cửa. Do đó IJ = 40 cm.
Mặt khác OI = OJ = 80 : 2 = 40 cm, suy ra tam giác OIJ đều và .
Vậy để khoảng cách d giữa đường kính cánh cửa và đường kính khung cửa bằng 40 cm thì góc nhị diện có hai nửa mặt phẳng tương ứng chứa cánh và khung cửa có số đo là 60°.
5. Một số hình lăng trụ đặc biệt
Lời giải:
Hình lăng trụ có các mặt bên là hình bình hành.
Mặt khác, hình lăng trụ đứng có các cạnh bên vuông góc với mặt đáy. Do đó hình lăng trụ đứng có các mặt bên là các hình chữ nhật.
Vì các cạnh bên vuông góc với đáy nên mặt bên cũng vuông góc với mặt đáy.
Lời giải:
Hình lăng trụ đều trước hết là hình lăng trụ đứng nên các mặt bên của nó là các hình chữ nhật.
Mặt khác, các cạnh đáy của lăng trụ đều bằng nhau và các cạnh bên của một lăng trụ luôn bằng nhau. Do đó các mặt bên của hình lăng trụ đều là các hình chữ nhật có cùng kích thước.
Lời giải:
Hình hộp đứng là một trường hợp đặc biệt của hình lăng trụ đứng, có 4 mặt bên là các hình chữ nhật, còn hai đáy là hai hình bình hành. Do đó hình hộp đứng có ít nhất 4 mặt là hình chữ nhật, đó là các mặt bên.
HĐ9 trang 50 Toán 11 Tập 2: a) Hình hộp chữ nhật có bao nhiêu mặt là hình chữ nhật? Vì sao?
b) Các đường chéo của hình hộp chữ nhật có bằng nhau và cắt nhau tại trung điểm mỗi đường hay không? Vì sao?
Lời giải:
a) Hình hộp chữ nhật là hình hộp đứng nên nó có các mặt bên là các hình chữ nhật. Hơn nữa, hai đáy của hình hộp chữ nhật là hai hình chữ nhật. Do đó hình hộp chữ nhật có 6 mặt là hình chữ nhật.
b) Các đường chéo của hình hộp chữ nhật có bằng nhau và cắt nhau tại trung điểm mỗi đường. Bởi vì, cứ hai đường chéo bất kì của hình hộp chữ nhật đều xác định nằm trong một hình chữ nhật và là hai đường chéo của hình chữ nhật đó.
HĐ10 trang 50 Toán 11 Tập 2: Các mặt của một hình lập phương là các hình gì? Vì sao?
Lời giải:
Hình lập phương trước hết là hình hộp chữ nhật nên các mặt đều là hình chữ nhật.
Hơn nữa, nó có tất cả các cạnh bằng nhau nên các mặt là hình vuông.
Vậy các mặt của hình lập phương là hình vuông.
Lời giải:
Chiếc thùng có đáy và các mặt bên là các hình chữ nhật. Do đó miệng thùng cũng là hình chữ nhật (có các cạnh tương ứng song song và bằng cạnh đáy) thuộc mặt phẳng song song với đáy.
Vì các cạnh bên song song với nhau nên thùng là một hình lăng trụ. Mặt khác, mỗi cạnh bên của thùng đều vuông góc với đáy (vì nó vuông góc với hai cạnh kề của đáy). Do đó thùng là lăng trụ đứng, hơn nữa, có đáy là hình chữ nhật nên thùng có dạng hình hộp chữ nhật.
6. Hình chóp đều và hình chóp cụt đều
Giải thích vì sao hình chiếu của đỉnh trên đáy là tâm của đáy tháp.
Lời giải:
Giả sử tháp có dạng hình chóp S.ABCD với đáy là hình vuông và các cạnh bên bằng nhau.
Theo đề có: AB = BC = CD = DA = 34 m, SA = SB = SC = SD 32,3 m.
Gọi O là hình chiếu của S trên mặt đáy nên SO ⊥ (ABCD).
Xét tam giác SOB vuông tại O nên ;
Xét tam giác SOD vuông tại O nên ;
Xét tam giác SOA vuông tại O nên ;
Xét tam giác SOC vuông tại O nên .
Mà SA = SB = SC = SD nên OA = OB = OC = OD hay O là tâm đường tròn ngoại tiếp hình vuông ABCD, do đó O là tâm của hình vuông.
HĐ12 trang 51 Toán 11 Tập 2: Cho hình chóp . Gọi O là hình chiếu của S trên mặt phẳng (H.7.67).
a) Trong trường hợp hình chóp đã cho là đều, vị trí của điểm O có gì đặc biệt đối với đa giác đều ?
b) Nếu đa giác là đều và O là tâm của đa giác đó thì hình chóp đã cho có gì đặc biệt?
Lời giải:
a) Do là hình chóp đều nên SA1 = SA2 = … = SAn
Vì O là hình chiếu của S trên mặt phẳng nên SO ⊥ .
Xét tam giác SOA1 vuông tại O, có ,
Xét tam giác SOA2 vuông tại O, có ,
…..
Xét tam giác SOAn vuông tại O, có .
Mà SA1 = SA2 = … = SAn nên OA1 = OA2 = … = OAn hay O là tâm đa giác đều .
b) Nếu đa giác là đều và O là tâm của đa giác đó thì OA1 = OA2 = … = OAn .
Vì O là hình chiếu của S trên mặt phẳng nên SO ⊥ .
Xét tam giác SOA1 vuông tại O, có ,
Xét tam giác SOA2 vuông tại O, có ,
…..
Xét tam giác SOAn vuông tại O, có .
Mà OA1 = OA2 = … = OAn nên SA1 = SA2 = … = SAn .
Vậy hình chóp là hình chóp đều.
Lời giải:
Gọi G là hình chiếu của S trên mặt phẳng (ABC).
Vì S.ABC là hình chóp tam giác đều nên G là trọng tâm của tam giác ABC.
Gọi AG cắt BC tại D mà ABC là tam giác đều nên AD ⊥ BC.
Mà SG ⊥ (ABC) nên SG ⊥ BC.
Vì AD ⊥ BC và SG ⊥ BC nên BC ⊥ (SAD), suy ra BC ⊥ SD.
Vì AD ⊥ BC và BC ⊥ SD nên là góc phẳng nhị diện của góc nhị diện [S, BC, A].
Vì ABC là tam giác đều cạnh a, AD là đường cao nên .
Suy ra .
Xét tam giác ABC có AD là trung tuyến nên D là trung điểm của BC, do đó .
Xét tam giác SBD vuông tại D có .
Xét tam giác SGD vuông tại G có
.
Vậy số đo góc nhị diện [S, BC, A] là 45°.
a) Giải thích vì sao là một hình chóp đều.
b) Gọi H là tâm của đa giác . Chứng minh rằng đường thẳng SH đi qua tâm K của đa giác đều và HK vuông góc với các mặt phẳng , .
Lời giải:
a) Mặt phẳng không đi qua S và song song với mặt phẳng đáy, cắt các cạnh tương ứng tại nên các đa giác A1A2…An và B1B2…Bn có các cạnh tương ứng song song.
Áp dụng định lí Talet trong từng tam giác SA1A2; SA2A3; …; SA1An, ta được:
, suy ra .
Vì đa giác đều nên đa giác B1B2…Bn đều và SA1 = SA2 = … = SAn nên SB1 = SB2 = …= SBn.
Vậy là hình chóp đều.
b) Vì H là tâm của đáy và hình chóp là hình chóp đều nên
SH ⊥ (A1A2…An).
Do (A1A2…An) // (B1B2…Bn ) và SH ⊥ (A1A2…An) nên SH ⊥ (B1B2…Bn ).
Hơn nữa, là hình chóp đều nên SH giao với (B1B2…Bn ) tại tâm của đáy B1B2…Bn .
Vậy đường thẳng SH đi qua tâm K của đa giác đều và HK vuông góc với các mặt phẳng , .
Câu hỏi trang 52 Toán 11 Tập 2: Hình chóp cụt đều có các cạnh bên bằng nhau hay không?
Lời giải:
Hình chóp cụt đều có các cạnh bên bằng nhau vì:
A1B1 = SA1 – SB1; A2B2 = SA2 – SB2; …; AnBn = SAn – SBn.
Dựa vào kết quả của hoạt động 13, ta có: SA1 = SA2 = … = SAn và SB1 = SB2 = …= SBn nên A1B1 = A2B2 = AnBn.
Bài tập
a) Chứng minh rằng (SAB) ⊥ (ABC) và (SAH) ⊥ (SBC).
b) Giả sử tam giác ABC vuông tại A, , AC = a, . Tính số đo của góc nhị diện [S, BC, A].
Lời giải:
a) Vì SA ⊥ (ABC) nên (SAB) ⊥ (ABC).
Vì SA ⊥ (ABC) nên SA ⊥ BC.
Vì H là hình chiếu của A trên BC nên AH ⊥ BC.
Vì SA ⊥ BC và AH ⊥ BC nên BC ⊥ (SAH), suy ra (SAH) ⊥ (SBC).
b) Vì BC ⊥ (SAH) nên BC ⊥ SH mà AH ⊥ BC nên là góc phẳng nhị diện của góc nhị diện [S, BC, A].
Xét tam giác ABC vuông tại A, , AC = a có:
.
Xét tam giác ABC vuông tại A, có
.
Vì SA ⊥ (ABC) nên SA ⊥ AH.
Xét tam giác SAH vuông tại A có: .
Vậy số đo của góc nhị diện [S, BC, A] bằng 45°.
Bài 7.17 trang 53 Toán 11 Tập 2: Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D' có cạnh bằng a.
a) Tính độ dài đường chéo của hình lập phương.
b) Chứng minh rằng (ACC'A') ⊥ (BDD'B').
c) Gọi O là tâm của hình vuông ABCD. Chứng minh rằng là một góc phẳng của góc nhị diện [C, BD, C']. Tính (gần đúng) số đo của các góc nhị diện [C, BD, C'], [A, BD,C'].
Lời giải:
a) Vì ABCD.A'B'C'D' là hình lập phương nên có các mặt là hình vuông.
Xét tam giác ABC vuông tại B, có .
Vì AA' ⊥ (ABCD) nên AA' ⊥ AC.
Xét tam giác A'AC vuông tại A, có .
Vậy đường chéo của hình lập phương có độ dài là .
b) Vì AA' ⊥ (ABCD) nên AA' ⊥ BD.
Vì ABCD là hình vuông nên AC ⊥ BD mà AA' ⊥ BD, suy ra BD ⊥ (ACC'A').
Vì BD ⊥ (ACC'A') nên (ACC'A') ⊥ (BDD'B').
c) Vì BD ⊥ (ACC'A') nên BD ⊥ C'O mà CO ⊥ BD (do AC ⊥ BD) nên là góc phẳng nhị diện của góc nhị diện [C, BD, C'].
Do ABCD là hình vuông nên O là trung điểm của AC, suy ra .
Xét tam giác C'CO vuông tại C, có .
Vậy số đo của các góc nhị diện [C, BD, C'] khoảng 55°.
Vì AO ⊥ BD (do AC ⊥ BD), BD ⊥ C'O nên là góc phẳng nhị diện của góc nhị diện [A, BD,C'].
Vì nên .
Vậy số đo góc nhị diện [A, BD,C'] khoảng 125°.
Bài 7.18 trang 53 Toán 11 Tập 2: Cho hình hộp chữ nhật ABCD.A'B'C'D'.
a) Chứng minh rằng (BDD'B') ⊥ (ABCD).
b) Xác định hình chiếu của AC' trên mặt phẳng (ABCD).
c) Cho AB = a, BC = b, CC' = c. Tính AC'.
Lời giải:
a) Vì ABCD.A'B'C'D' là hình hộp chữ nhật nên BB' ⊥ (ABCD).
Suy ra (BDD'B') ⊥ (ABCD).
b) Vì ABCD.A'B'C'D' là hình hộp chữ nhật nên CC' ⊥ (ABCD), suy ra C là hình chiếu của C' trên mặt phẳng (ABCD).
A là hình chiếu của A trên mặt phẳng (ABCD). Do đó AC là hình chiếu của AC' trên mặt phẳng (ABCD).
c) Vì ABCD là hình chữ nhật nên .
Vì CC' ⊥ (ABCD) nên CC' ⊥ AC.
Xét tam giác C'CA vuông tại C, có .
Vậy .
Bài 7.19 trang 53 Toán 11 Tập 2: Cho hình chóp đều S.ABC, đáy có cạnh bằng a, cạnh bên bằng b.
a) Tính sin của góc tạo bởi cạnh bên và mặt đáy.
b) Tính tang của góc giữa mặt phẳng chứa mặt đáy và mặt phẳng chứa mặt bên.
Lời giải:
a) Gọi G là hình chiếu của S trên mặt phẳng (ABC).
Vì S.ABC đều nên G là tâm của tam giác ABC hay G là trọng tâm đồng thời G cũng là trực tâm của tam giác ABC.
Gọi a là góc tạo bởi cạnh bên SA và mặt phẳng đáy (ABC).
Vì SG ⊥ (ABC) nên GA là hình chiếu của SA trên mặt phẳng (ABC).
Khi đó góc giữa cạnh bên SA và mặt phẳng đáy (ABC) bằng góc giữa hai đường thẳng SA và AG. Mà (SA, AG) = .
Kẻ AG cắt BC tại D, khi đó D là trung điểm của BC, AD ⊥ BC.
Xét tam giác ABC đều cạnh a, AD là đường cao nên .
Suy ra .
Xét tam giác SGA vuông tại G, có .
.
Vậy sin của góc tạo bởi cạnh bên và mặt đáy bằng .
b) Gọi là góc tạo bởi mặt phẳng (SBC) và (ABC).
Vì SG ⊥ (ABC) nên SG ⊥ BC mà AD ⊥ BC nên BC ⊥ (SAD), suy ra BC ⊥ SD.
Khi đó góc giữa hai mặt phẳng (SBC) và (ABC) bằng góc giữa hai đường thẳng AD và SD, mà (AD, SD) = .
Vì .
Xét tam giác SGD vuông tại G, có
.
a) Tính (gần đúng) số đo của góc nhị diện tạo bởi hai nửa mặt phẳng tương ứng chứa hai mái nhà.
b) Chứng minh rằng mặt phẳng (OAB) vuông góc với mặt đất phẳng. Lưu ý: Đường giao giữa hai mái (đường nóc) song song với mặt đất.
c) Điểm A ở độ cao (so với mặt đất) hơn điểm B là 0,5 m. Tính (gần đúng) góc giữa mái nhà (chứa OB) so với mặt đất.
Lời giải:
a) Vì hai mái nhà trong Hình 7.72 là hai hình chữ nhật nên góc nhị diện tạo bởi hai nửa mặt phẳng tương ứng chứa hai mái nhà bằng góc giữa hai đường thẳng OA và OB, mà (OA, OB) = .
Áp dụng định lí Côsin trong tam giác OAB, ta có:
.
Vậy số đo của góc nhị diện tạo bởi hai nửa mặt phẳng tương ứng chứa hai mái nhà khoảng 88°.
b) Vì đường giao giữa hai mái nhà vuông góc với OA và OB nên đường giao giữa hai mái nhà vuông góc với mặt phẳng (OAB).
Mà đường giao giữa hai mái nhà song song với mặt đất nên mặt phẳng (OAB) vuông góc với mặt đất phẳng.
c) Gọi H là giao điểm của đường thẳng qua B và song song với mặt đất với đường thẳng đi qua A và vuông góc với mặt đất.
Khi đó góc giữa mái nhà chứa OB và mặt đất là góc OBH.
Xét tam giác AHB vuông tại H, có: .
Áp dụng định lí Côsin trong tam giác OAB có:
.
Do đó .
Vậy góc giữa mái nhà (chứa OB) so với mặt đất khoảng 42°.
Lời giải:
Gọi là góc tạo bởi đường dành cho người khuyết tật và mặt phẳng nằm ngang.
Vì độ dốc của đường thẳng dành cho người khuyết tật được quy định là không quá nên .
Vậy góc tạo bởi đường dành cho người khuyết tật và mặt phẳng nằm ngang không vượt quá 4,76°.
Xem thêm các bài giải SGK Toán 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác: