Bài 3.33, 3.34, 3.35, 3.36 Trang 162 SBT Hình Học 11: Chứng Minh ...

Bài 5 Khoảng cách Sách bài tập Hình học 11. Giải bài 3.33, 3.34, 3.35, 3.36 trang 162. Câu 3.33: Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ cạnh a. Chứng minh rằng…; Chứng minh mặt phẳng (SIK) vuông góc với mặt phẳng (SBC) ?

Bài 3.33: Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ cạnh a. Chứng minh rằng khoảng cách từ các điểm A’, B, D; C, B’, D tới đường chéo AC’ bằng nhau. Tính khoảng cách đó.

Điểm A cách đều ba đỉnh của tam giác đều A’BD vì ta có \(AB = A{\rm{D}} = AA’ = a\), điểm C’ cũng cách đều ba đỉnh của tam giác đều đó vì ta có:

\(C’B = C’D = C’A’ = a\sqrt 2 \)

Vậy AC’ là trục của đường tròn ngoại tiếp tam giác A’BD, tức là đường thẳng AC’ vuông góc với mặt phẳng (A’BD) tại trọng tâm I của tam giác A’BD. Ta cần tìm khoảng cách A’I.

Ta có \(A’I = BI = DI = {2 \over 3}A’O\) với O là tâm của hình vuông ABCD

Ta lại có \(AO’ = B{\rm{D}}{{\sqrt 3 } \over 2}\)

\( = a\sqrt 2 .{{\sqrt 3 } \over 2} = {{a\sqrt 6 } \over 2}\)

Vậy \(A’I = {2 \over 3}A’O = {2 \over 3}.{{a\sqrt 6 } \over 2} = {{a\sqrt 6 } \over 3}\)

Tương tự điểm C’ cách đều ba đỉnh của tam giác đều CB’D’, tính được khoảng cách từ C, B’, D’ tới đường chéo AC’.

Bài 3.34: Hình chóp S.ABCD có đáy là hình vuông ABCD cạnh a. Các cạnh bên \(SA = SB = SC = S{\rm{D}} = a\sqrt 2 \). Gọi I và K lần lượt là trung điểm của AD và BC.

a) Chứng minh mặt phẳng (SIK) vuông góc với mặt phẳng (SBC).

b) Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng AD và SB.

a) Gọi O là tâm hình vuông ABCD , dễ thấy I, O, K thẳng hàng. Vì K là trung điểm của BC nên \(SK \bot BC\).

Ta có : \(\left. \matrix{ BC \bot SK \hfill \cr BC \bot OK \hfill \cr} \right\} \Rightarrow BC \bot \left( {SIK} \right)\)

Do đó \(\left( {SBC} \right) \bot \left( {SIK} \right)\)

b) Hai đường thẳng AD và SB chéo nhau. Ta có mặt phẳng (SBC) chứa SB và song song với AD. Do đó khoảng cách giữa AD và SB bằng khoảng cách giữa AD và mặt phẳng (SBC).

Advertisements (Quảng cáo)

Theo câu a) ta có \(\left( {SIK} \right) \bot \left( {SBC} \right)\) theo giao tuyến SK và khoảng cách cần tìm là IM, trong đó M là chân đường vuông góc hạ từ I tới SK. Dựa vào hệ thức \(IM.SK = SO.IK\), ta có \(IM = {{SO.IK} \over {SK}}\).

Ta lại có: \(S{K^2} = S{B^2} – B{K^2} = 2{{\rm{a}}^2} – {{{a^2}} \over 4} = {{7{a^2}} \over 4} \Rightarrow SK = {{a\sqrt 7 } \over 2}\)

Và \(S{O^2} = S{A^2} – O{A^2} = 2{{\rm{a}}^2} – {\left( {{{a\sqrt 2 } \over 2}} \right)^2} = {{3{{\rm{a}}^2}} \over 2}\)

\(\Rightarrow SO = {{a\sqrt 3 } \over {\sqrt 2 }} = {{a\sqrt 6 } \over 2}\)

Do đó: \(IM = {{SO.IK} \over {SK}} = {{a\sqrt 6 } \over 2}.a:{{a\sqrt 7 } \over 2} = {{a\sqrt {42} } \over 7}\)

Vậy khoảng cách giữa hai đường thẳng AD và SB là bằng \({{a\sqrt {42} } \over 7}\).

Bài 3.35: Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’.

a) Chứng minh đường thẳng BC’ vuông góc với mặt phẳng (A’B’CD)

b) Xác định và tính độ dài đoạn vuông góc chung của AB’ và BC’.

a) Ta có B’C ⊥ BC’ vì đây là hai đường chéo của hình vuông BB’C’C

Advertisements (Quảng cáo)

Ngoài ra ta còn có: \(A’B’ \bot \left( {BB’C’C} \right) \Rightarrow A’B’ \bot BC’\)

Từ đó ta suy ra \(BC’ \bot \left( {A’B’C{\rm{D}}} \right)\) vì mặt phẳng (A’B’CD) chứa đường thẳng A’B’ và B’C cùng vuông góc với BC’.

b) Mặt phẳng (AB’D’) chứa đường thẳng AB’ và song song với BC’, ta hãy tìm hình chiếu của BC’ trên mặt phẳng (AB’D’). Gọi E, F lần lượt là tâm các hình vuông ADD’A’, BCC’B’. Kẻ FH ⊥ EB’với H ∈ EB’, khi đó FH nằm trên mặt phẳng (A’B’CD) nên theo câu a) thì \(FH \bot \left( {AB'{\rm{D’}}} \right)\), do đó hình chiếu BC’ trên mặt phẳng (AB’D) là đường thẳng đi qua H và song song với BC’. Giả sử đường thẳng  đó cắt AB’ tại K thì từ K vẽ đường thẳng song song với FH cắt BC’ tại L. Khi đó KL là đoạn vuông góc chung cần dựng. Tam giác B’EF vuông tại F nên từ công thức \({1 \over {F{H^2}}} = {1 \over {F{{\rm{E}}^2}}} + {1 \over {FB{‘^2}}}\) ta tính được \(KL = FH = {{a\sqrt 3 } \over 3}\)

Nhận xét . Độ dài đoạn vuông góc chung của AB’ và BC’ bằng khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song (AB’D’) và (BC’D) lần lượt chứa hai đường thẳng đó. Khoảng cách này bằng \({1 \over 3}A’C = {{a\sqrt 3 } \over 3}\).

Bài 3.36: Cho hình chóp S.ABCD có đáy là nửa lục giác đều ABCD nội tiếp trong đường tròn đường kính AD = 2a và có cạnh SA vuông góc với mặt phẳng đáy (ABCD) với \(SA = a\sqrt 6 \).

a) Tính khoảng cách từ A và B đến mặt phẳng (SCD).

b) Tính khoảng cách từ  đường thẳng AD đến mặt phẳng (SBC).

a) Vì ABCD là nửa lục giác đều nội tiếp trong đường tròn đường kính AD = 2a nên ta có: \(A{\rm{D}}\parallel BC\) và \(AB = BC = C{\rm{D}} = a\), đồng thời \(AC \bot C{\rm{D}},AB \bot B{\rm{D}},AC = B{\rm{D}} = a\sqrt 3 \).

Như vậy

\(\left. \matrix{ C{\rm{D}} \bot AC \hfill \cr C{\rm{D}} \bot SA \hfill \cr} \right\} \Rightarrow C{\rm{D}} \bot \left( {SAC} \right)\)

Trong mặt phẳng (SAC) dựng AH ⊥ SC tại H ta có AH ⊥ CD và AH ⊥ SC nên AH ⊥ (SCD)

Vậy AH = d(A,(SCD))

Xét tam giác SAC vuông tại A có AH là đường cao, ta có:

\(\eqalign{ & {1 \over {A{H^2}}} = {1 \over {S{A^2}}} + {1 \over {A{C^2}}} \cr & = {1 \over {{{\left( {a\sqrt 6 } \right)}^2}}} + {1 \over {{{\left( {a\sqrt 3 } \right)}^2}}} = {1 \over {2{{\rm{a}}^2}}} \cr} \)

Vậy \(A{H^2} = 2{{\rm{a}}^2} \Rightarrow AH = a\sqrt 2 \)

Gọi I là trung điểm của AD ta có \(BI\parallel C{\rm{D}}\) nên BI song song với mặt phẳng (SCD). Từ đó suy ra \(d\left( {B,\left( {SC{\rm{D}}} \right)} \right) = d\left( {I,\left( {SC{\rm{D}}} \right)} \right)\).

Mặt khác AI cắt (SCD) tại D nên

\(d\left( {I,\left( {SC{\rm{D}}} \right)} \right) = {1 \over 2}d\left( {A,\left( {SC{\rm{D}}} \right)} \right) = {1 \over 2}.a\sqrt 2  = {{a\sqrt 2 } \over 2}\)

Do đó: \(d\left( {B,\left( {SC{\rm{D}}} \right)} \right) = {{a\sqrt 2 } \over 2}\)

b) Vì \(AD\parallel BC\) nên \(AD\parallel \left( {SBC} \right)\), do đó \(d\left( {AD,\left( {SBC} \right)} \right) = d\left( {A,\left( {SBC} \right)} \right)\)

Dựng \(AD \bot BC\) tại \(E \Rightarrow BC \bot \left( {SA{\rm{E}}} \right)\)

Dựng \(AD \bot SE\) tại F ta có:

\(\left. \matrix{ AF \bot SE \hfill \cr AF \bot BC\,\left( {vì\,BC \bot \left( {SAE} \right)} \right) \hfill \cr} \right\} \Rightarrow AF \bot \left( {SBC} \right)\)

Vậy \(AF = d\left( {A,\left( {SBC} \right)} \right) = d\left( {AD,\left( {SBC} \right)} \right)\)

Xét tam giác vuông AEB ta có: \(AE = AB\sin \widehat {ABE} = a\sin {60^0} = {{a\sqrt 3 } \over 2}\)

Xét tam giác SAE vuông tại A ta có:

\({1 \over {A{F^2}}} = {1 \over {S{A^2}}} + {1 \over {A{E^2}}} = {1 \over {{{\left( {a\sqrt 6 } \right)}^2}}} + {1 \over {\left( {{{a\sqrt 3 } \over 2}} \right)}} = {9 \over {6{a^2}}}\)

Do đó \(A{F^2} = {{6{a^2}} \over 9} \Rightarrow AF = {{a\sqrt 6 } \over 3}\)

Vậy \(d\left( {AD,\left( {SBC} \right)} \right) = AF = {{a\sqrt 6 } \over 3}\)