Xemtailieu Tải về Phương pháp tọa độ hóa giải bài toán hhkg
Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Cao Văn Tuấn – 097530627 ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP TỌA ĐỘ ĐỂ GIẢI TOÁN HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Các em học sinh nên nhớ rằng “Không có phương pháp giải nào là vạn năng”, do đó các em phải không ngừng luyện tập để tạo ra sợi dây liên kết giữa các phần kiến thức của mình, khi đó các em mới có thể vận dụng linh hoạt các phương pháp sao cho bài giải của mình khoa học nhất, hay nhất. Đối với một số loại hình chóp, hình lăng trụ trong một số bài toán ta có thể sử dụng việc đặt một hệ trục tọa độ thích hợp, để chuyển từ việc giải hình học không gian tổng hợp thuần túy (mà việc này có thể gặp nhiều khó khăn trong dựng hình, tính toán với các em học sinh) sang việc tính toán dựa vào tọa độ. Cách giải bài toán như vậy gọi là phương pháp tọa độ hóa. Đối với phương pháp tọa độ hóa, việc tính toán có thể sẽ dài dòng và phức tạp hơn phương pháp hình học không gian thuần túy, tuy nhiên cách giải này thực sự rất hữu ích cho nhiều bạn học sinh mà việc nắm vững những phương pháp trong cách giải hình học không gian còn yếu hoặc những bài toán hình không gian về khoảng cách khó; về xác định GTLN, GTNN; các bài toán về quỹ tích điểm,... Để có thể làn tốt được các bài toán giải bằng phương pháp tọa độ hóa thì các em học sinh phải nắm chắc các kiến thức (cụ thể là các công thức tính) của phần “Phương pháp tọa độ trong không gian” và những kiến thức cơ bản nhất của hình học không gian. Sau đây thầy sẽ trình bày cụ thể phương pháp: “Ứng dụng phương pháp tọa độ để giải toán hình học không gian”. Cao Văn Tuấn – 0975306275 1. Phƣơng pháp + Bước 1: Chọn hệ trục tọa độ Oxyz trong không gian: Vì Ox, Oy, Oz vuông góc với nhau từng đôi một nên nếu hình vẽ bài toán cho có chứa các cạnh vuông góc thì ta ưu tiên chọn các cạnh đó làm trục tọa độ. + Bước 2: Suy ra tọa độ của các đỉnh, điểm trên hệ trục tọa độ vừa ghép. + Bước 3: Sử dụng các kiến thức về tọa độ không gian để giải quyết bài toán 2. Các bài toán ghép trục tọa độ thƣờng gặp và cách suy ra tọa độ các đỉnh Các bài toán thƣờng gặp Hình lập phương hoặc hình hộp chữ nhật ABCD.ABCD Cách ghép trục Tọa độ các điểm + Với hình lập phương: A 0;0;0 , B a;0;0 C a; a;0 , D 0; a;0 A 0; 0; a , B a;0; a C a; a; 0 , D 0; a; a + Với hình hộp chữ nhật: A 0;0;0 , B a;0;0 C a; b;0 , D 0; b;0 A 0;0; c , B a;0; c C a; b; c , D 0; b; c https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 1 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Hình hộp ABCD.ABCD có đáy là hình thoi. Cao Văn Tuấn – 097530627 + Gốc tọa độ trùng với giao điểm O của hai đường chéo của hình thoi ABCD. + Trục Oz đi qua 2 tâm của 2 đáy Hình chóp S.ABCD có: + ABCD là hình chữ nhật, hình vuông. + SA ⊥ (ABCD). A 0;0;0 B 0; AB ;0 C AD ; AB ;0 D AD ;0;0 S 0;0; SA Hình chóp S.ABCD có: + Đáy hình chữ nhật, hình vuông. + Các cạnh bên bằng nhau (SO vuông góc với đáy). A 0;0;0 B 0; AB ;0 AD AB ; ; SO S 2 2 C AD ; AB ;0 D AD ;0;0 https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 2 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Hình chóp S.ABCD đều có: + Đáy là hình thoi, hình vuông. + SO vuông góc với đáy. Hình chóp S.ABCD đều có: + Đáy là hình bình hành, hình thoi. + SA vuông góc với đáy. Hình chóp S.ABCD đều có: + Đáy là hình bình hành. + SO vuông góc với đáy. https://www.facebook.com/ThayCaoTuan Cao Văn Tuấn – 097530627 O 0;0;0 A 0; OA ;0 B OB ;0;0 C 0; OC ;0 D OD ;0;0 S 0;0; SO A 0;0;0 B 0; AB ;0 C DH ; AB AH ;0 D DH ; AH ;0 S 0;0; SA A 0;0;0 B 0; AB ;0 C DH ; AB AH ;0 D DH ; AH ;0 S DH ; AB AH ; SO 2 2 3 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Hình chóp S.ABC có: + Đáy là tam giác vuông, tam giác đều. + SA vuông góc với đáy. Hình chóp S.ABC có: + Đáy là tam giác đều cạnh a. + Các cạnh bên bằng nhau. Cao Văn Tuấn – 097530627 A 0;0;0 B 0; AB ;0 C CH ; AH ;0 S 0;0; SA A 0;0;0 B 0; AB ;0 0; a;0 C CH ; AH ;0 a 3 a ; ;0 2 2 S OH ; AH ; SO a 3 ; a ; SO 6 2 Trên đây là một số dạng cơ bản của một số loại hình khối mà chúng ta có thể tọa độ hóa một cách đơn giản. Các em lưu ý rằng chúng ta có thể tọa độ hóa một khối đa diện bất kỳ. Chỉ cần chúng ta xác định được đường cao của khối đa diện đó và thông thường trên lý thuyết ta đều đặt gốc tọa độ là chân đường cao của khối đa diện; trục cao (trục Oz) là đường cao, sau đó ta dựng hai tia còn lại. Nhưng trong thực hành giải toán chúng ta căn cứ tùy bài toán để đặt hệ trục miễn sao chúng ta có thể tìm các tọa độ các đỉnh liên quan đến hình khối cần tính có thể tìm được một cách dễ dàng hoặc không quá phức tạp. Ví dụ như bài toán sau: (Các em hãy xem và suy nghĩ nên đặt hệ trục ra sao). Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều cạnh a, mặt phẳng (SBC) tạo với đáy góc 60 0. Mặt bên (SAB) vuông góc với đáy, tam giác SAB cân tại S. Tính thể tích khối chóp S.ABC và khoảng cách giữa hai đường thẳng SA, BC. Bình luận: Rõ ràng rằng việc tính thể tích của khối chóp này là không quá khó khăn, chỉ cần các em nắm được cách xác định góc giữa hai mặt phẳng là xác định được. Vì vậy, ý tính thể tích thầy để các em tự suy nghĩ và thực hiện. Với câu hỏi tính khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau này, các em hoàn toàn có thể thực hiện theo hình tổng hợp. Ở đây chúng ta bàn luận về việc đặt hệ trục tọa độ để thực hiện ý thứ hai này. Trước hết các em cần lưu ý: Xác định chiều cao của hình chóp này như thế nào? Điều này là không quá khó: Vì sao? Hãy nhớ: “Nếu hai mặt phẳng vuông góc với nhau, trong mặt này dựng một đường thẳng vuông góc với giao tuyến thì đường thẳng đó vuông góc với mặt phẳng kia”. Gắn vào hình chóp này: Ta thấy mặt phẳng (SAB) vuông góc với mặt đáy, mà giao tuyến của hai mặt phẳng này là AB. Ta cần tìm chiều cao cho nên, các em chỉ cần từ S dựng SH vuông góc với AB, (H AB) vì tam giác SAB cân tại S cho nên H là trung điểm AB. Tức là các em đã xác định được chiều cao và chân đường vuông góc. Vậy chúng ta có thể đặt hệ trục tọa độ rồi. Các em vẽ hình và đặt hệ trục như sau: https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 4 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” S Cao Văn Tuấn – 097530627 z A C x O B y 3a O 0;0;0 , S 0;0; 4 Tính toán tọa độ các điểm (căn cứ vào phần trước), ta có: A 0; a ;0 , B 0; a ;0 , C(a;0;0) 2 2 Áp dụng công thức tính khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau: SA, BC ta có: SA,BC .AB , ta thu được kết quả cần tính. d SA,BC SA,BC Kể ra thì cũng không quá phức tạp đúng không các em. Các em hãy suy nghĩ có cách đặt hệ trục tọa độ nào khác không? Ở mục số 4. Ví dụ minh họa, thầy sẽ trình bày thêm một số ví dụ cụ thể về các dạng toán để các em hiểu rõ hơn về phương pháp này. 3. Sử dụng các kiến thức về tọa độ để giải quyết bài toán a) Khoảng cách giữa 2 điểm Khoảng cách giữa hai điểm A xA ; yA ; zA và B xB ; yB ; zB là: AB xB xA yB yA zB zA 2 2 2 b) Khoảng cách từ điểm đến đoạn thẳng Tính khoảng cách từ A đến đường thẳng ? Cách 1: Cho đường thẳng đi qua M, có một vectơ chỉ phương u và một điểm A. Khoảng cách từ A đến đường thẳng được tính bởi công thức: d A, u , AM u Cách 2: + Lập phương trình mặt phẳng đi qua A và vuông góc với . + Tìm tọa độ giao điểm H của và . + d(M, d) = MH. c) Khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng Khoảng cách từ M0 x0 ; y0 ; z0 đến mặt phẳng P : Ax By Cz D 0 là: d M 0 , P Ax0 By0 Cz0 D A 2 B2 C2 d) Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song Định nghĩa: Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song là khoảng cách từ một điểm bất kì của mặt phẳng này đến mặt phẳng kia. https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 5 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” e) Khoảng cách giữa hai đƣờng thẳng chéo nhau Cho hai đường thẳng chéo nhau 1 và 2 , biết: Cao Văn Tuấn – 097530627 + 1 đi qua M và có một vectơ chỉ phương u1 + 2 đi qua N và có một vectơ chỉ phương u2 Cách 1: Khoảng cách giữa hai đường thẳng 1 và 2 được tính bằng công thức: u1 , u2 .MN u1 , u2 d 1 , 2 Cách 2: + Lập phương trình mặt phẳng chứa 1 và song song với 2 . + Khi đó: d 1 , 2 d 2 , d M, với M 2 . ĐẶC BIỆT: Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng AB, CD khi biết tọa độ của chúng: AB,CD AC d AB,CD AB,CD f) Khoảng cách giữa 2 đƣờng thẳng song song Khoảng cách giữa 2 đường thẳng song song bằng khoảng cách từ 1 điểm bất kì thuộc đường thẳng này đến đường thẳng kia. quay về dạng toán khoảng cách từ 1 điểm đến đường thẳng . g) Khoảng cách giữa đƣờng thẳng và mặt phẳng (với // ) d , d M, với M h) Góc giữa hai đƣờng thẳng Cho hai đường thẳng: 1 có một vectơ chỉ phương u1 x1; y1; z1 2 có một vectơ chỉ phương u2 x2 ; y2 ; z2 Gọi là góc giữa hai đường thẳng 1 và 2 . Khi đó: cos u1.u2 u1 . u2 x1 x2 y1 y2 z1 z2 x y z . x y z 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 0 90 0 2 2 i) Góc gữa hai mặt phẳng Gọi là góc giữa hai mặt phẳng P : Ax By Cz D 0 và P' : A'x B'y C'z D' 0 cos cos nP , nQ nP .nQ nP . nQ A.A' B.B' C.C ' 2 2 2 0 0 A B C . A ' B' C ' 2 2 2 900 j) Góc giữa đƣờng thẳng và mặt phẳng Cho: Đường thẳng có một vectơ chỉ phương u x; y; z . Mặt phẳng có một vectơ pháp tuyến n A; B; C . Gọi là góc giữa hai đường thẳng và . Khi đó: sin u.n u.n Ax By Cz 2 2 2 0 90 0 A B C . x y z 2 2 2 k) Diện tích thiết diện 1 AB, AC . 2 AB, AD . + Diện tích tam giác ABC: SABC + Diện tích hình bình hành: SABCD https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 6 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” l) Thể tích khối đa diện Cao Văn Tuấn – 097530627 + Thể tích khối hộp: VABCD.A'B'C'D' AB, AD .AA' . 1 + Thể tích tứ diện: VABCD AB, AC .AD . 6 4. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Cho hình lập phương ABCD.ABCD cạnh là a. Gọi N là trung điểm của BC . a) Chứng minh rằng: AC vuông góc với ABD . b) Tính thể tích khối tứ diện ANBD . c) Tính góc và khoảng cách giữa hai đường thẳng AN và BD . d) Tính khoảng cách từ C đến mặt phẳng ACD . Giải: Các em lưu ý, đây là một bài tính toán và chứng minh các yếu tố liên quan đến hình lập phương, chúng ta có thể thực hiện bằng phương pháp tổng hợp, thầy không trình bày phương pháp đó nữa, mà giải bài toán này theo phương pháp tọa độ hóa. Như đã nói ở phần trước, với hình lập phương và hình hộp chữ nhật thì việc chọn hệ trục tọa độ là rất dễ dàng. Thầy chọn hệ trục như sau. (Các em hãy chọn hệ trục khác đi và giải nó theo cách của các em). Khi đó ta có tọa độ các đỉnh của hình lập phương như sau: z A ' 0;0;0 , B' a;0;0 , C ' a; a;0 , D ' 0; a;0 D A a A 0;0; a , B a;0; a , C a; a; a , D 0; a; a , N a; 2 ;0 C B a) Mục đích của ta là chứng minh một đường thẳng vuông góc với một mặt phẳng. Ta sẽ chỉ ra rằng VTCP của đường thẳng này cùng phương với VTPT của mặt phẳng ABD . D' Ta có: AC' a; a; a A'B, A'D a 2 ; a 2 ; a 2 là véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng ABD . y A'=O x B' C' Ta thấy hai vrctơ AC' và A'B, A'D cùng phương. Vì thế ta có AC vuông góc với mặt phẳng ABD . b) Tính thể tích tứ diện ANBD . 1 Ta có công thức tính thể tích tứ diện là: VANBD' AN,AB .AD . 6 2 2 a AB,AN 0; a ; 2 Ta có: AD (0; a; a) . 3 AB,AN .AD a 2 a3 Do đó thể tích tìm được là: V (đvtt). 12 c) Để tính góc giữa hai đường thẳng và khoảng cách giữa hai đường thẳng ta sử dụng hai công thức a , b .AB a.b sau: cos a, b cos a , b và d (a, b) . a, b a b https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 7 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Cao Văn Tuấn – 097530627 Với a , b là các véc tơ chỉ phương của đường thẳng a và b. Đường thẳng a,b lần lượt đi qua hai điểm A và B. AN.BD 3 Do đó ta có góc giữa hai đường thẳng AN và BD là: cos AN, BD = . 9 AN BD AN, BD .AB a 26 Khoảng cách giữa hai đường thẳng này là: d AN, BD . 26 AN, BD d) Tính khoảng cách từ điểm C đến mặt phẳng ACD . Viết phương trình mặt phẳng ACD . Mặt phẳng ACD có véc tơ pháp tuyến cùng phương với AC,AD a 2 ;0; a 2 . Ta chọn véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng ACD là n (1;0;1) . Vì thế phương trình mặt phẳng ACD là: x z – a 0 . Áp dụng công thức khoảng cách từ một điểm đến mặt phẳng ta có: d C, ACD a 2 Ví dụ 2. Cho hình hộp chữ nhật ABCD.ABCD có cạnh AB 1, AD 1, AA 2 . a) Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng AC và BD. b) Gọi Q là mặt phẳng qua A vuông góc với AC . Tính diện tích của thiết diện của hình chóp A.ABCD cắt bởi mặt phẳng Q . Giải: Chúng ta đặt hệ trục tọa độ giống như ví dụ 1. Từ đây ta tính được tọa độ các đỉnh như sau: A 0;0;0 , B 1;0;0 , D 0;1;0 , A 0;0; 2 a) Dành cho các em tự tính toán. b) Với bài toán này, các em có thể viết được phương trình mặt phẳng Q , các đường thẳng: AB, AC, AD và tìm giao điểm của nó với mặt phẳng Q , ta có B' tọa độ các giao điểm là: 2 2 1 1 2 2 2 M ;0; , N ; ; , P 0; ; 3 2 2 2 3 3 3 Ta có thiết diện là tứ giác AMNP. Và diện tích của tứ giác này là: 2 2 x SAMNP SAMN SANP B 3 https://www.facebook.com/ThayCaoTuan A' z D' C' D y A=O C 8 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Cao Văn Tuấn – 097530627 Ví dụ 3: Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD có cạnh BD 2 2 . Mặt bên tạo với mặt đáy góc 600 . a) Tính thể tích khối chóp, xác định tâm và bán kính mặt cầu ngoại tiếp hình chóp. b) Tính góc và khoảng cách giữa hai đường thẳng SB và AC. c) Tính góc giữa hai mặt phẳng SAB và SCD . d) Gọi I là trọng tâm tam giác SAB, tính khoảng cách từ I đến các mặt phẳng ABCD và SCD . Giải: Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ, ta có tọa độ các đỉnh như sau: O 0;0;0 , A 0; 2;0 B 2;0;0 , D 2;0;0 C 0; 2;0 ,S 0;0; 3 Đến đây công việc còn lại là tính toán, thầy để dành cho các em. z S I A J x D O B C y Các em có thể thấy rằng nếu như tọa độ hóa một khối đa diện được thì việc giải những bài toán hình không gian trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Sau đây chúng ta xét một số khối đa diện mà việc tọa độ và tính toán phức tạp hơn. Ví dụ 4. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thoi cạnh là 5 tâm O, SO vuông góc với đáy; các cạnh bên SA 2 3,SB 3 . Gọi M là trung điểm của cạnh SC. a) Tính góc và khoảng cách giữa hai đường thẳng SA và BM. b) Mặt phẳng AMB cắt SD tại N. Tính thể tích khối chóp S.ABMN. Giải: Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ. Ta có tọa độ các O 0;0;0 , A 2;0;0 , B(0;1;0) đỉnh như sau: C 2;0;0 , D 0; 1;0 S 0;0; 2 2 , M 1;0; 2 a) Ta có cos SA,BM SA.BM z N 3 . 2 SA . BM SA,BM 30 . S M D C 0 x SA, BM .SB d SA,BM ... SA, BM O A By b) Viết phương trình mặt phẳng AMB và phương trình đường thẳng SD. Từ đó tìm được tọa độ giao điểm D của AMB và SD. Ta có: VS.ABMN VS.AMB VS.AMN 1 1 SA,SB .SM SA,SN .SM ... 6 6 https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 9 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Cao Văn Tuấn – 097530627 5. Bài tập rèn luyện Bài 1: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại B, AB = a, SA a 2 . Gọi M là trung điểm của AB. Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng SM và BC. a ĐS: d . 6 Bài 2: Cho hình vuông ABCD cạnh a. Từ điểm H của cạnh AB dựng SH vuông góc với (ABCD), biết góc giữa hai mặt phẳng (SAD) và mặt đáy bằng 600. a) Tính SH và khoảng cách từ H đến (SCD). b) Tính góc giữa hai mặt phẳng (SBC) và (SCK) biết K là trung điểm của cạnh AD. a 3 a 21 ĐS: a) SH b) 900 , d H, SCD 2 7 Bài 3: Cho hình chóp SABCD có đáy ABCD là hình thoi tâm O cạnh a, AC = a. Tam giác SAB cân tại S, và nằm trong mặt phẳng vuông góc với đáy, cạnh bên SA tạo với đáy một góc sao cho tan 2 . a) Tính thể tích khối chóp S.ABCD. b) Tính khoảng cách từ O đến (SCD) c) Tính khoảng cách từ A đến (SBC). 2a 57 a 21 ĐS: b) d O, SCD b) d A, SBC 19 14 Bài 4: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông, đường cao AB, BC = 2a, SA = a. SA vuông góc với đáy. Biết SC vuông góc với BD. a) Tính độ dài đoạn thẳng AD. b) Tính thể tích khối chóp S.ABCD c) Gọi M là điểm trên đoạn SA, AM = x, Tính độ dài đường cao DE của tam giác BDM theo a, x. Tìm x để DE có giá trị lớn nhất, nhỏ nhất. a 3 khi x a DE max a 2 ĐS: a) AD c) 2 DE a khi x 0 min 2 Bài 5: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại C, với AB =2a, BAC 300 ,SA 2a và vuông góc với đáy. a) Tính thể tích khối chóp S.ABC. b) Gọi M là điểm di động trên cạnh AC sao cho AM = x, 0 x a 3 . Tính khoảng cách từ S đến BM theo a, x. Tìm x để khoảng cách trên đạt giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất. Bài 6 (ĐH Đà Nẵng khối A năm 2001): Cho tứ diện S.ABC có SC CA AB a 2 . SC vuông góc với (ABC), tam giác ABC vuông tại A, các điểm M, N lần lượt thuộc SA và BC sao cho AM CN t với 0 t 2a . a) Tính độ dài đoạn MN, tìm t để độ dài đoạn MN nhỏ nhất. b) Khi MN nhỏ nhất, chứng minh rằng MN là đường vuông góc chung của BC và SA. Bài 7: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều cạnh a, các cạnh bên của hình chóp bằng nhau. Biết khoảng cách từ S đến (ABC) là h. Tìm điều kiện của h để hai mặt phẳng (SAB) và (SAC) vuông góc. Khi đó hãy tính thể tích khối chóp S.ABC. Bài 8 (ĐH khối B năm 2002): Cho hình lập phương ABCD.A1B1C1D1 cạnh là a. a) Tính theo a khoảng cách giữa hai đường thẳng A1B và B1D . b) Gọi M, N, P theo thứ tự là trung điểm của các cạnh BB1 ,CD, A1D1 . Tính góc giữa MP và C1 N . Bài 9 (ĐHSP TPHCM năm 1992): Cho hình lập phương ABCD.A1B1C1D1 cạnh là a. Gọi M, N theo thứ tự là trung điểm của AD và CD. Lấy P trên cạnh BB1 sao cho BP = 3PB1. Xác định và tính diện tích thiết diện của hình lập phương cắt bởi mặt phẳng (MNP). 7a 2 6 ĐS: S 16 https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 10 Chuyên đề 8: “PPTĐ trong không gian” Cao Văn Tuấn – 097530627 Bài 10: Cho hình hộp chữ nhật ABCD.A1B1C1D1 có AB = a, AD = 2a, AA1 = a. a) Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng AD1 và B1C. AM b) Gọi M là điểm chia đoạn AD theo tỉ số 3 . Hãy tính khoảng cách từ M đến mặt phẳng MD (AB1C). c) Tính thể tích khối tứ diện AB1D1C. Bài 11: Cho lăng trụ đứng ABC.ABC có đáy là tam giác ABC vuông cân tại B , biết BA=a. cạnh bên AA ' a 2 . Gọi M là trung điểm của cạnh BC. Tính thể tích khối lăng trụ và khoảng cách giữa hai đường thẳng AM, BC . Bài 12: Cho hình lăng trụ ABC.ABC có độ dài cạnh bên là 2a, đáy ABC là tam giác vuông tại A, AB a , AC a 3 , hình chiếu vuông góc của A lên (ABC) là trung điểm của BC. Tính theo a thể tích khối chóp A.ABC và tính cos của góc giữa hai đường thẳng AA và BC . Bài 13: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh 2a, SA =a, SB a 3 . Mặt phẳng (SAB) vuông góc với đáy. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của AB và BC. Tính thể tích khối chóp S.ABCD và cos của góc giữa hai đường thẳng SM và DN. https://www.facebook.com/ThayCaoTuan 11 GIẢI BÀI TOÁN HÌNH HỌC KHÔNG GIAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ Bài 1. Cho hình lăng trụ đứng ABC.A’B’C’, đ{y ABC l| tam gi{c vuông tại A, AB a,AC 2a,AA' b . Gọi M, N lần lượt l| trung điểm của BB’ v| AB. a. Tính theo a v| b thể tích của tứ diện A’CMN. b. Tính tỉ số b để B'C AC' . a Giải Chọn hệ trục tọa độ Oxyz có O A , c{c tia Ox, Oy, Oz lần lượt đi qua cấc điểm B, C, A’. Khi đó A 0;0;0 , z B a;0;0 , A' b a C 0;2a;0 ,A' 0;0;b ,B' a;0;b , C' 0;2a; , M a;0; ,N ;0;0 2 2 C' B' a. Thể tích của tứ diện A’CMN l|: V 1 A'C,A'M .A'N 6 M A'C,A'M ab; ab; 2a2 y A O a b Ta có A'C 0;2a; b , A'M a;0; , A'N ;0; b 2 2 C N B x a2 b 3a2 b A'C,A'M .A'N 0 2a2 b 2 4 Vậy VA 'C MN 1 3a2 b a2 b 6 4 8 b. Ta có: B'C a; 2a;c , AC' 0;2a;b B'C AC' B'C.AC' 0 0 4a2 b2 0 b 2a b 2 a Bài 2. Cho hai hình chữ nhật ABCD v| ABEF ở trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau, AB 2a,BC BE a . Trên đường chéo AE lấy điểm M v| trên đường chéo BD lất điểm N sao cho AM BN k với k 0;1 . Tính k để MN l| đoạn vuông góc chung của AE v| BD. AE BD Giải Chọn hệ trục tọa độ Oxyz sao cho A O , c{c tia Ox, Oy, Oz lần lượt đi qua D, B, F. Khi đó z A 0;0;0 , B 0;2a;0 , C a;2a;0 , D a;0;0 , E 0;2a;a , F 0;0;a Ta có: AM k AM kAE, k 0;1 AE M y O≡A M| AM v| AE cùng hướng nên AM kAE , đo đó tọa độ của M l|: x M kx E 0 y M ky E 2ka hay M 0;2ka;ka z kz ka E M E F B N D C x Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 12 1 x N 0 k a 0 Tương tự BN kBD y N 2a k 0 2a hay N ka;2a 2ka;0 z N 0 k 0 0 MN ka;2a 4ka; ka Ta có: AE 0;2a;a BD a; 2a;0 4a2 8ka2 ka2 0 4 MN.AE 0 MN l| đoạn vuông góc chung của AE v| BD k 2 2 2 9 MN.BD 0 ka 4a 8ka 0 4 9 Bài 3. Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ cạnh bằng a. Trên c{c cạnh BB’, CD, A’D’ lần lượt lấy c{c Vậy MN l| đoạn vuông góc chung của AE v| BD khi k điểm M, N, P sao cho B'M CN D'P x , x 0;a . a. Chứng minh AC' MNP . b. X{c định vị trí của M, N, P để tam gi{c MNP có diện tích bé nhất. Giải Chọn hệ trục tọa độ Oxyz có O A , c{c tia Ox, Oy, Oz lần lượt đi z qua c{c điểm B, D, A’. Khi đó A 0;0;0 , B a;0;0 , C a;a;0 , A' D 0;a;0 , A' 0;0;a , B' a;0;a , C' a;a;a , D' 0;a;a , M a;0;a x , N a x;a;0 , P 0;a x;a B' x M a. Ta có AC' a;a;a MN x;a; a x P x C' D A MP a;a x;x B AC'.MN 0 AC' MN AC' MNP (đpcm) AC'.MP 0 AC' MP D' x y N C x 2 b. Ta có MN MP NP x2 a2 a x 2x2 2ax 2a2 Tam gi{c MNP l| tam gi{c đều có cạnh bằng Diện tích của tam gi{c MNP l|: S hay S 2 x2 ax a2 MN2 3 3 2 x ax a2 4 2 2 3 a 3a2 3a2 3 a x Dấu “=” xảy ra x 2 2 4 8 2 Vậy min S 3a2 3 khi M, N, P lần lượt l| trung điểm của c{c cạnh BB’, CD, A’D’. 8 Bài 4. Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng a. Gọi M v| N lần lượt l| trung điểm của AD v| BB’. Chứng minh AC' AB'D' v| tính thể tích của khối tứ diện A’CMN. Giải Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 13 2 Chọn hệ trục tọa độ Oxyz có như D 0;a;0 , A' 0;0;a , B' a;0;a , C' a;a;a , D' 0;a;a hình vẽ, ta A 0;0;0 , B a;0;0 , có: a. Ta có A'C a;a; a , AB' a;0;a , AD' 0;a;a z A'C.AB' 0 v| A'C.AD' 0 A'C AB' v| A'C AD' D' A' A'C AB'D' (đpcm) B' C' b. Thể tích của tứ diện A’CMN l|: V C a;a;0 , 1 A'N,A'M .A'C 6 N D A y M a a Ta có: N a;0; , M 0; ;0 2 2 B a a A'N a;0; , A'M 0; ; a v| A'C a;a; a 2 2 C x a2 a2 a3 a3 3a3 A'N,A'M ;a2 ; v| A'N,A'M .A'C a3 4 2 4 2 4 1 3a3 a3 Vậy V . (đvtt) 6 4 8 Bài 5. Cho tứ diện SABC có SC CA AB a 2, SC ABC , tam gi{c ABC vuông tại A. C{c điểm M SA, N BC sao cho AM CN t 0 t 2a . Tính t để MN ngắn nhất. Trong trường hợp n|y chứng minh MN l| đoạn vuông góc chung của BC v| SA đồng thời tính thể tích của khối tứ diện ABMN. Giải Chọn hệ trục tọa độ Oxyz sao cho A O 0;0;0 , tia Ox chứa z AC, tia Oy chứa AB v| tia Oz cùng hướng với vec-tơ CS . S Khi đó ta có A 0;0;0 , B 0;a 2;0 , C a 2;0;0 , S a 2;0;a 2 M y A B N C x Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 14 3 NI Ax I Ax Vẽ MH Ax H Ax v| MK Az Vẽ K Az J Ay z NJ Ay v| y B S M K N J t t x C A H A I C x Vì tam gi{c SCA vuông c}n ở C nên Vì tam gi{c INC vuông c}n ở I MHAK l| hình vuông có cạnh NC 2 t 2 IN IC huyền bằng t 2 2 t 2 t 2 t 2 Na 2 ; ;0 AH AK 2 2 2 t 2 t 2 M ;0; 2 2 t 2 t 2 ; a. Ta có: MN 2 a t ; 2 2 MN 2 a t 2 2 2a 2a2 t2 t2 2 3t 2 4at 2a2 3 t a 2 2 3 3 3 Đẳng thức xảy ra khi t 2a 3 2 2a khi t 3 3 Vậy MN ngắn nhất bằng a a 2 a 2 a 2 2a ; ; b. Khi MN ngắn nhất t , ta có MN 3 3 3 3 Ta còn có SA a 2;0;a 2 v| BC a 2; a 2;0 MN.SA 0 MN SA MN.BC 0 MN BC Vậy MN l| đường vuông góc chung của SA v| BC (đpcm) Bài 6. Cho khối lăng trụ tam gi{c đều có cạnh đ{y bằng a v| AB' BC' . Tính thể tích của khối lăng trụ. Giải Gọi O l| trung điểm của AC. Chọn hệ trục tọa độ có gốc tọa độ l| O, tia Ox đi qua A, tia Oy đi qua B. Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 4 15 a a 3 ;0 , Khi đó A ;0;0 , B 0; 2 2 z C' B' a 3 a a ; h , C' ;0; h C ;0;0 , B' 0; 2 2 2 A' h AA' BB' ... a a 3 a a 3 ; h v| BC' ; ;h Ta có AB' ; 2 2 2 y a2 3a2 a 2 AB' BC' AB'.BC' 0 h2 0 h 4 4 2 C B O A x a2 3 a 2 a3 6 . 4 2 8 Bài 7. Cho khối lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng 1. Gọi M, N, P lần lượt l| trung điểm của c{c cạnh A’B’, BC, DD’. Vậy thể tích của khối lăng trụ l| V SΔABC .h a. Tính góc giữa hai đường thẳng AC’ v| A’B. b. Chứng minh AC' MNP v| tính thể tích của khối tứ diện AMNP. Giải Chọn hệ trục tọa độ A’xyz như hình vẽ, ta có: A' 0;0;0 , B1;0;0 , C' 1;1;0 , D' 0;1;0 , A 0;0;1 , 1 1 1 B1;0;1 , C 1;1;1 , D 0;1;1 , M ;0;0 , N 1; ;1 , P 0;1; 2 2 2 a. Ta có AC' 1;1; 1 v| A'B 1;0;1 AC'.A'B 0 Góc giữa hai đường thẳng AC’ v| A’B có số đo bằng 900 b. 1 1 1 1 MN ; ;1 v| MP ;1; 2 2 2 2 AC'.MN 0 v| AC'.MP 0 z AC' MN v| AC' MP A D AC' MNP (đpcm) Thể tích khối tứ diện AMNP l|: N B C 3 3 3 1 V MN,MP .MA với MN,MP ; ; , 6 4 4 4 D' A' 1 MA ;0;1 2 P y M 1 3 3 3 Vậy V . 0 (đvtt) 6 8 4 16 B' C' x Bài 8. Cho hình chóp S.ABCD có đ{y ABCD l| hình vuông cạnh a, mặt bên SAD l| tam gi{c đều v| nằm trong mặt phẳng vuông góc với (ABCD). Gọi M, N, P lần lượt l| trung điểm của SB, BC, CD. Chứng minh rằng AM BP v| tính thể tích của khối tứ diện CMNP. Giải Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 16 5 Chọn hệ trục tọa độ Oxyz có gốc O trùng với A, tia Ox đi z qua B, tia Oy đi qua D, tia Oz cùng hướng với vec-tơ HS S (H l| trung điểm của AD), khi đó A 0;0;0 , B a;0;0 , C a;a;0 , D 0;a;0 , a a 3 S 0; ; , 2 2 a a a 3 M ; ; , 2 4 4 M a a N a; ;0 , P ;a;0 2 2 y H O A a a a 3 a Ta có AM ; ; v| BP ;a;0 2 4 4 2 D P B C N x AM.BP 0 AM BP (đpcm) Thể tích của CMNP l| V 1 CM,CN .CP 6 a CP ;0;0 2 Ta có CM a ; 3a ; a 3 , CN 0; a ;0 2 4 4 2 a2 3 a2 a3 3 CM,CN ;0; CM,CN .CP 8 4 16 Vậy VCMNP 1 a3 3 a3 3 6 16 96 Bài 9. Cho hình chóp tứ gi{c đều S.ABCD có cạnh đ{y bằng a 2 , cạnh bên hợp với đ{y góc 450 . Gọi O l| t}m của ABCD v| I, J, K lần lượt l| trung điểm SO, SD, DA. a. X{c định đoạn vuông góc chung của IJ v| AC. b. Tính thể tích của khối tứ diện AIJK. Giải a. IJ l| đường trung bình của tam gi{c SOD. IJ∥OD IJ SO hay IJ IO SO ABCD SO AC hay IO AC z (1) S (2) Từ (1) v| (2) suy ra IO l| đoạn vuông góc chung của IJ v| AC. J b. Góc giữa cạnh bên SD v| đ{y (ABCD) l| SDO 450 I Tam gi{c SOD vuông c}n tại O a 2 2 Chọn hệ trục tọa độ Oxyz có O trùng với t}m của hình vuông ABCD, tia Ox đi qua C, tia Oy đi qua D v| tia Oz đi qua S. \ K A 450 y D OS OD O B C x a 2 a 2 ;0;0 , B 0; ;0 , Khi đó A 2 2 Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 6 17 a 2 a 2 a 2 a 2 a 2 a 2 a 2 D 0; ;0 , S 0;0; ; ; ;0 , I 0;0; , J 0; , K 2 2 4 4 4 4 4 1 AI,AJ .AK 6 Thể tích của tứ diện AIJK l| V a 2 a 2 AI ;0; 2 4 a2 a 2 a 2 a 2 a2 a3 2 Ta có AJ ; ; AI,AJ ;0; AI,AJ .AK 8 2 4 32 4 4 AK a 2 ; a 2 ;0 4 4 Vậy VAIJK 1 a3 2 a3 2 6 32 192 Bài 10. Cho khối lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng a. K l| trung điểm của DD’ v| O l| t}m của hình vuông AA’B’B. Tính thể tích của khối tứ diện AIKA’. Suy ra khoảng c{ch từ A’ đến mặt phẳng (AB’K) Giải Chọn hệ trục tọa độ Oxyz có A O , c{c tia Ox, Oy, Oz lần z lượt A' đi qua B, D, A’. Khi B a;0;0 , B' a;0;a , C a;a;0 , đó A 0;0;0 , A' 0;0;a , C' a;a;a , D 0;a;0 , D' 0;a;a , a a a K 0;a; , I ;0; (I l| trung điểm của AB’ v| A’B) 2 2 2 B' B a a a a AI,AK ; ; AI,AK .AA' 2 4 2 2 2 K D A a a a Ta có AI ;0; , AK 0;a; , AA' 0;0;a 2 2 2 2 C' I 1 Thể tích của khối tứ diện AIKA’ l| V AI,AK .AA' 6 2 D' 3 x y C 1 a3 a3 Vậy VAIKA ' . 6 2 12 Ta có AB'K AIK d A', AB'K d A', AIK SΔAIK 3VA '.AIK SΔAIK với VA '.AIK a3 v| 12 1 1 a4 a4 a4 3a2 AI,AK 2 4 16 4 2 8 Vậy d A', AB'K 3a2 3a2 2a : 12 8 3 Bài 11. Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng a. Gọi M l| trung điểm của cạnh AD v| N l| t}m của hình vuông CC’D’D . Tính b{n kính mặt cầu ngoại tiếp tứ diện BC’MN. Giải Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 18 7 Chọn hệ trục tọa độ A’xyz như hình vẽ. z D' 0;a;0 , A 0;0;a , B a;0;a , A Ta có A' 0;0;0 , B' a;0;0 , C' a;a;0 , a a a C a;a;a , D 0;a;a , M 0; ;a , N ;a; 2 2 2 N B{n kính mặt cầu nói trên l| R α2 β2 γ2 δ (S) đi qua B, C’, M, D' A' x2 y2 z2 2αx 2βy 2γz δ 0 cầu D C B Phương trình mặt cầu (S) ngoại tiếp tứ diện BC’MN có dạng: Mặt M B' N y C' nên: x 2αa 2 γa δ 2a2 a2 0 a2 2αa 0 2 γa δ 0 1 2αa 2βa δ 2a2 a2 a2 0 2αa 2βa 0 δ 0 2 2 5a2 0 a a2 0 βa 2 γa δ 0 β a 2 γ a δ 3 4 4 2 2 6a2 a a2 a αa 2βa γa δ 0 α a 2 β a γ a δ 4 4 4 4 (1) trừ (2) β γ (5) (2) trừ (3) kết hợp với 5 2α β 3a 4 (6) (3) trừ (4) kết hợp với (5) ta được α a 4 (7) (6) trừ (7) β a a m| γ β nên γ 4 4 Thay α, β v|o (1) ta được δ 2a2 Vậy b{n kính mặt cầu ngoại tiếp tứ diện BC’MN l|: R α2 β2 γ2 δ a2 a2 a2 a 35 2a2 16 16 16 6 Bài 12. Cho hình chóp tứ gi{c đều S.ABCD có cạnh đ{y bằng a v| chiều cao bằng h. Gọi I l| trung điểm của cạnh bên SC. Tính khoảng c{ch từ S đến mặt phẳng (ABI) Giải z Chọn hệ trục tọa độ Oxyz sao cho gốc tọa độ l| t}m O của hình vuông ABCD, tia Ox chứa OA, tia Oy chứa OB v| tia Oz chứa OS. S a 2 a 2 a 2 ;0;0 , B 0; ;a , C ;0;0 , S 0;0;h Khi đó A 2 2 2 I M Giao điểm M của SO v| AI l| trọng t}m của tam gi{c SAC v| ta D h có M 0;0; 3 Mp(ABI) cũng l| mp(ABM). Vậy, phương trình của mp(ABI) x l|: C O A B y Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 8 19 x a 2 2 y a 2 2 x y z z 1 0 1 hay h a 2 a 2 h 3 3 2 2 h 1 h 3 vậy khoảng c{ch từ S tới mp(ABI) l|: d 1 a 2 2 2 1 a 2 2 2 2 1 h 3 2 2 a2 2 a2 9 hay d h2 2ah 4h2 9a2 Bài 13. Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng 1. Gọi M l| trung điểm của cạnh BC. Tính khoảng c{ch từ A tới mặt phẳng (A’MD) Giải Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ. z Kéo d|i DM cắt AB tại E. A' 1 Ta có BM AD 2 BM l| đường trung bình của tam gi{c ADE D' C' B' B l| trung điểm của AE A 0;0;0 , E 2;0;0 , D 0;1;0 , A' 0;0;1 . B M Mp(A’MD) cũng l| mặt phẳng (A’ED) nên phương trình của mặt phẳng (A’MD) l|: D A AE 2AB 2 . Khi đó: C E x y z 1 x 2y 2z 2 0 2 1 1 Khoảng c{ch từ A tới mp(A’MD) l| d A, A'MD y x 2 1 4 4 2 3 Bài 14. Cho hình chóp S.ABCD có đ{y ABCD l| hình thoi cạnh bằng a v| BAD 1200 , đường cao SO (O l| t}m của ABCD), SO 2a . Gọi M, N lần lượt l| trung điểm của DC v| SB. a. Tính thể tích của khối tứ diện SAMN. b. Chứng minh rằng tồn tại duy nhất một mặt cầu t}m O v| tiếp xúc với bốn mặt bên của S.ABCD. Tính thể tích của khối cầu tạo bởi mặt cầu nói trên. z Giải Ta có BAD 1200 ABC 600 S ABCD l| hình thoi cạnh bằng a v| ABC 600 N ABC, ADC l| c{c tam gi{c đều cạnh bằng a. OA OC Chọn hệ a 3 a v| OB OD 2 2 trục tọa độ Oxyz C như hình vẽ. Khi a O 0;0;0 , A ;0;0 , 2 B đó M D y O A x Trần Đình Cư. Gv TH PT Gia Hội, TP Huế. SĐT: 01234332133 9 20 Tải về bản full