HAI MẶT PHẲNG VUÔNG GÓC

A TÓM TẮT LÍ THUYẾT

1

ĐỊNH NGHĨA GÓC GIỮA HAI MẶT PHẲNG

Định nghĩa 1. Góc giữa hai mặt phẳng là góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với hai mặt phẳng đó.

Hai mặt phẳng song song hoặc trùng nhau thì góc giữa chúng bằng0^◦.

α m

β

n

2

CÁCH XÁC ĐỊNH GÓC CỦA HAI MẶT PHẲNG CẮT NHAU

1 Tìm giao tuyếnccủa(_α)và(_β).

2 Tìm hai đường thẳnga, b lần lượt thuộc hai mặt phẳng và cùng vuông góc vớictại một điểm.

3 Góc giữa(_α)và(_β)là góc giữaavàb. I

c a

b α

β

3

DIỆN TÍCH HÌNH CHIẾU CỦA MỘT ĐA GIÁC

Định nghĩa 2. Cho đa giác H nằm trong mặt phẳng(α) có diện tích là S vàH ⁰ là hình chiếu vuông góc củaH trên mặt phẳng(β). Khi đó diện tíchS⁰ của hìnhH được tính theo công thức như sau:

S⁰ =S·cosϕ với ϕlà góc giữa(α)và(β).

4

HAI MẶT PHẲNG VUÔNG GÓC

Định nghĩa 3. Hai mặt phẳng được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa hai mặt phẳng đó là góc vuông.

Định lí 1. Điều kiện cần và đủ để hai mặt phẳng vuông góc với nhau là mặt phẳng này chứa một đường thẳng vuông góc với mặt phẳng kia.

O a c b α

β

Hệ quả 1. Nếu hai mặt phẳng vuông góc với nhau thì bất cứ đường thẳng nào nằm trong mặt phẳng này và vuông góc với giao tuyến thì vuông góc với mặt phẳng kia.

Hệ quả 2. Cho hai mặt phẳng(α)và(β)vuông góc với nhau. Nếu từ một điểm thuộc mặt phẳng (_α)ta dựng một đường thẳng vuông góc với mặt phẳng(_β)thì đường thẳng này nằm trong mặt phẳng(α).

Định lí 2. Nếu hai mặt phẳng cắt nhau và cùng vuông góc với một mặt phẳng thì giao tuyến của chúng vuông góc với mặt phẳng đó.

5

HÌNH LĂNG TRỤ ĐỨNG, HÌNH HỘP CHỮ NHẬT, HÌNH LẬP PHƯƠNG

Định nghĩa 4. Hình lăng trụ đứng là hình lăng trụ có các cạnh bên vuông góc với đáy. Độ dài cạnh bên được gọi là chiều cao của hình lăng trụ đứng.

Nhận xét:Các mặt bên của hình lăng trụ đứng là hình chữ nhật và vuông góc với mặt đáy.

Định nghĩa 5. Hình lăng trụ đều là hình lăng trụ đứng có đáy là đa giác đều.

Nhận xét: Các mặt bên của hình lăng trụ đều là những hình chữ nhật bằng nhau và vuông góc với mặt đáy.

Định nghĩa 6. Hình hộp đứng là hình lăng trụ đứng có đáy là hình bình hành.

Nhận xét:Trong hình hộp đứng 4 mặt bên đều là hình chữ nhật.

Định nghĩa 7. Hình hộp chữ nhật là hình hộp đứng có đáy là hình chữ nhật.

Nhận xét:Tất cả 6 mặt của hình hộp chữ nhật đều là hình chữ nhật.

Định nghĩa 8. Hình lập phương là hình hộp chữ nhật có tất cả các cạnh bằng nhau.

Nhận xét:Tất cả 6 mặt của hình lập phương đều là hình vuông.

6

HÌNH CHÓP ĐỀU VÀ HÌNH CHÓP CỤT ĐỀU

Định nghĩa 9. Một hình chóp được gọi là hình chóp đều nếu nó có đáy là một đa giác đều có chân đường cao trùng với tâm của đa giác đáy.

Nhận xét:Hình chóp đều có:

1 Các mặt bên là những tam giác cân bằng nhau. Các mặt bên tạo với mặt đáy các góc bằng nhau.

2 Các cạnh bên tạo với mặt đáy các góc bằng nhau.

Định nghĩa 10. Phần của hình chóp đều nằm giữa đáy và một thiết diện song song với đáy cắt các cạnh bên của hình chóp đều được gọi là hình chóp cụt đều.

Nhận xét:Hình chóp cụt đều có:

1 Hai đáy là hai đa giác đều và đồng dạng với nhau.

2 Các đường thẳng chứa các cạnh bên đồng qui tại một điểm.

3 Các mặt bên là các hình thang cân bằng nhau.

B CÁC DẠNG TOÁN

{DẠNG 4.1. Tìm góc giữa hai mặt phẳng

Muốn tìm góc giữa hai mặt phẳng ta có thể tìm góc giữa hai nửa đường thẳng lần lượt nằm trên hai mặt phẳng và vuông góc với giao tuyến của chúng.

Một số trường hợp thường gặp:

TH1:∆ABC =_{∆DBC. Gọi} Ilà chân đường cao của∆ABC.

Nối DI. Vì∆ABC=_∆DBCnênDI ⊥BC.

⇒((ABC^¤),(DBC)) = AID.‘

B

C I A

D

TH2: Xét góc giữa hai mặt phẳng (MAB) và(N AB)với 4MAB và 4N ABcân có cạnh đáyAB.

Gọi Ilà trung điểm AB. Khi đóN I ⊥ ABvà MI ⊥ AB.

⇒((MAB^¤),(N AB)) = MI N.’

A B I M

N

TH3:Hai mặt phẳng cắt nhau(α)∩(β) = _∆.

Tìm giao tuyến∆của hai mặt phẳng.

Dựng ABcó hai đầu mút nằm ở trên hai mặt phẳng và vuông góc với một mặt.

(giả sử là (β)).

Chiếu vuông góc của AhoặcBlên∆là điểm I.

⇒ AIB‘ là góc giữa hai mặt phẳng.

I

B

A TH4:Nếu a⊥(_α);b ⊥(_β)thì((Ÿ_α),(_β)) =(^’a,b).

TH5:Trường hợp khó vẽ được góc giữa hai mặt phẳng thì có thể dùng công thức phép chiếu diện tích đa giác.

VÍ DỤ 1. Cho tứ diệnS.ABCcó đáyABClà tam giác đều cạnha,SA ⊥(ABC)vàSA = ^3a 2 . Tính góc giữa hai mặt phẳng(SBC)và(ABC).

L Lời giải

Gọi góc giữa hai mặt phẳng(SBC)và(ABC)làα.

GọiMlà trung điểm củaBC. Do4ABCđều nên AM ⊥BC. (1) Theo giả thiếtSA⊥(ABC), suy ra theo (1) ta cóSM⊥ BC. (2)

Lại có(SBC)∩(ABC) = BC. (3)

Từ (1), (2) và (3) ta cóα =SMA.^’ Ta có AM = √

AC²−CM² = ^a

√3

2 . Xét tam giácSAMvuông tại A, ta có:

tanα = ^SA AM = √³

3 =√

3, suy raα =60^◦.

α

A S

B M C

VÍ DỤ 2. Cho hình vuông ABCDcạnha,SA ⊥(ABCD)vàSA = a√

3. Tính số đo của góc giữa các mặt phẳng sau:

a. ((SBC),(ABC)) =? b. ((SBD),(ABD)) =?

c. ((SAB),(SCD)) =? L Lời giải

a. Gọiα = (S,BC,A). Khi đó ta có

®BC ⊥ AB

BC ⊥_SA ⇒ BC⊥SB.

Suy raα =SBA.^‘

Trong4SABcótanα = ^SA AB = ^a

√3 a =√

3⇒α =60^◦. b. Gọi β = (S,BD,A) và AC ∩ _BD = O, ta có

®AO⊥BD

SO⊥BD(DoBD⊥(SAC)) ⇒β =^’SOA.

Mà AO= ^a

√2

2 , suy ratanβ = ^SA AO = ^2a

√3 a√

2 =√

6 ⇒ β= arctan(√

6).

c. Gọiγ = ((SAB)_,(SCD)).

Khi đó ta cóγ =^’ASDvàtanγ= ^AD SA = ^a

a√

3 = √¹

⇒_γ =30^◦. 3

α β

γ

A S

B

D C

O

BÀI TẬP TỰ LUYỆN

BÀI 1. Cho tứ diệnS.ABCcó’ABC =90^◦,AB =2a;BC =a√

3,SA ⊥(ABC);SA =2a. Gọi Mlà trung điểm AB. Hãy tính:

a.

(SBC¤),(ABC)

.

b. Đường caoAH của4AMC.

c. ϕ=

(SMC¤),(ABC)

.

Lời giải.

a. Gọiα =

(SBC¤),(ABC)

Trong tam giác ABCta có AB ⊥ BC vàSB ⊥ BC, suy raα = SBA.‘

Ta cóAB =SA =2anên suy raα =45^◦. b. Đường caoAH của∆AMC.

Ta cóCM =√

MB²+BC²=2avà S_AMC = ¹

2AB·BC−¹

2MB·BC = ^a

2√ 3 2 . Do đó AH= ^2SAMC

MC = 2· ^a

2√ 3 2

2a = ^a

√3 2 . c. Gọiϕ=

(SMC¤),(ABC)

?

Do

®AH ⊥CM

SH ⊥CM ⇒ ϕ=SH A.^’ Trong 4SH A có tanϕ = ^SA

AH = ^4a a√

3 = ⁴

√3

3 ⇒ ϕ =

arctan 4√ 3 3

! .

A S

B H

C M

BÀI 2. Trong mặt phẳng (P) cho một 4ABC vuông cân, cạnh huyền BC = a. Trên nửa đường thẳng vuông góc với(P)tại Alấy điểmS.

a. Tính góc giữa hai mặt phẳng((SAB),(CAB))và((SAC),(BAC))và((CSA),(BSA)). b. TínhSAđể góc giữa hai mặt phẳng((SBC),(ABC))có số đo30^◦.

Lời giải.

a. Dễ thấy (SAB) ⊥ (ABC),(SAB) ⊥ (SAC),(ABC) ⊥ (SAC), do đó các góc giữa các mặt phẳng((SAB),(CAB)) và ((SAC),(BAC))và((CSA),(BSA))đều bằng90^◦.

b. Gọiα là góc giữa hai mặt phẳng((SBC),(ABC)). GọiMlà trung điểm cạnhBC, khi đó ta có

®AM⊥ BC

SM⊥ BC ⇒α =SMA.^’ Ta cóAM = ^a

2, theo đề thìtan 30^◦ = ^SA AM

⇒SA = AM·tan 30^◦ ⇒ SA= ^a

√3 6 .

A S

B M C

BÀI 3. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật, AB = a,AD = a√

3, SA ⊥ (ABCD).

a) Tính góc giữa hai mặt phẳng(SCD)và(ABCD)vớiSA =a.

b) Tìmx =SAđể góc giữa hai mặt phẳng(SCD)và(ABCD)bằng60^◦.

Lời giải.

a) Vì SA ⊥ (ABCD) ⇒ CD ⊥ SA, theo giả thiết CD ⊥ AD và (SCD)∩(ABCD) = CD, suy ra ⇒ α = ((SCD),(ABCD)) =

’SDA.

Xét tam giácSADvuông tạiAta có:

tanα = ^SA

AD = ^a a√

3 = √¹

3 ⇒α =30^◦. b) Theo kết quả câu a ta có:tan 60^◦ = ^x

a√ 3

⇔x =a√

3 tan 60^◦ =3a.

S

D

B C A

BÀI 4. Cho tam giác vuôngABCcó cạnh huyền BCnằm trên mặt phẳng(P). Gọiα,βlần lượt là góc hợp bởi hai đường thẳng AB,ACvà mặt phẳng (P). Gọi ϕlà hợp bởi (ABC) và(P). Chứng minh rằngsin²ϕ=sin²α+sin²β.

Lời giải.

Gọi A⁰ là hình chiếu vuông góc của Alên mặt phẳng (P), AH là đường cao của tam giácABC.

Suy ra A⁰B và A⁰C lần lượt là hình chiếu của AB và AC lên mặt phẳng(P). Do đóα= ABA^’0vàβ=^÷ACA⁰.

Lại có







BC ⊥ AH BC ⊥ H A⁰

(ABC)∩(P) = BC

⇒ _ϕ= ^÷AH A⁰. Xét tam giácABCvuông tạiA, ta có: 1

AH² = ¹

AB² + ¹ AC²

⇔ ^AA

02

AH² = ^AA

02

AB² + ^AA

02

AC² ⇔sin²ϕ=sin²α+sin²β.

α

β ϕ

A

A⁰

B

C H

BÀI 5. Cho tứ diệnOABCcóOA,OB,OCđôi một vuông góc với nhau. Gọiα,β,ϕlần lượt là góc hợp bởi các mặt phẳng(OBC),(OCA),(OAB)với mặt phẳng (ABC). Chứng minh rằngcos²α+ cos²β+cos²ϕ=1.

Lời giải.

GọiOH,OK,OI lần lượt là các đường cao của các tam giác OBC,OAB,OAC.

Ta có







AH ⊥BC OH ⊥_BC

(OBC)∩(ABC) = BC

⇒α =AHO.^’

Ta có







CK⊥ AB OK ⊥ AB

(OAB)∩(ABC) = AC

⇒ ϕ=^’CKO.

Ta có







BI ⊥ AC OI ⊥ AC

(OAC)∩(ABC) = AC

⇒_β= AHO.^’

cosα = ^SOBC

S_ABC; cosβ= ^SOAC

S_ABC; cosϕ= ^SOAB S_ABC. Do đó:

cos²α+cos²β+cos²ϕ=

SOBC

S_ABC 2

+

SOAC

S_ABC 2

+

SOAB

S_ABC 2

=

OB·OC 2S_ABC

2

+

OI·AC 2S_ABC

2

+

OA·OB 2S_ABC

2

= ^OB

2(OA²+OC²) +OI²·AC²

4S_ABC = ^OB

2·AC²+OI²·AC² 4S_ABC

= ^AC

2(OB²+OI²) 4SABC

= ^AC

2·BI² 4SABC

= ^4SABC 4SABC

=1.

Suy ra điều phải chứng minh.

A

K

B

I

O C

H

{DẠNG 4.2. Tính diện tích hình chiếu của đa giác

Gọi S là diện tích của đa giác H trong (P),S⁰ là diện tích của hình chiếu H⁰ của H trên (Q), và ϕ=(^ÿP),(Q). Khi đó:S⁰ =S. cosϕ.

VÍ DỤ 1. Cho4ABCcân tại A, đường cao AH =a√

3,BC =3acóBC nằm trong(P). Gọi A⁰là hình chiếu củaAlên(P). Khi4A⁰BCvuông tạiA⁰, tính

(¤P);(ABC)

.

L Lời giải

GọiMlà trung điểm của cạnhBC. Do4ABCcân tạiAnênAM ⊥ BC.

Mặt khácAA⁰ ⊥(P) ⇒ A⁰H ⊥BC.

Do đóα =

(¤P);(ABC)

= ((ABC),(A⁰BC)) = ^÷AH A⁰. Theo đề ta có:SABC = ¹

2·AH·BC = ^3a

2√ 3 2 . Lại có A⁰H = ¹

2 ·_BC = ^3a

2 . Suy raS_A⁰_BC = ¹ 2· ^3a

2 ·_3a = ^9a

2

Khi đó ta có: 4

S_A⁰_BC =S_ABC·cosα ⇔ ^9a

2

4 = ^a

2√ 3

2 ·cosα ⇔cosα =

√3 2 . Suy raα =30^◦.

A⁰ A

B H C

BÀI TẬP TỰ LUYỆN

BÀI 1. Cho hình chópS.ABCcó đáy là tam giác đều cạnha,SA = ^a

2 vàSA ⊥ (ABC). Tính diện tích tam giácSBC.

Lời giải.

GọiMlà trung điểm cạnhBC. Dễ dàng chứng minh đượcSMA’ = αlà góc giữa hai mặt phẳng(ABC)và(SBC).

Mặt khácSA ⊥(ABC), suy ra4ABClà hình chiếu của4SBClên mặt phẳng(ABC).

Do đóS_ABC =S_SBC·cosα ⇒S_SBC = ^SABC

cosα. (1)

Lại có AM= ^a

√3

2 vàS_ABC = ^a

2√ 3 4 . Xét tam giácSAMvuông tại A, ta có tanα = ^SA

AM = ^2a 2a√

3 = √¹

3 ⇒_α =30^◦. Thay vào (1) ta đượcSSBC =

a²√ 3 4

cos 30^◦ = ^a

2

2 .

A S

B M C

BÀI 2. Cho hình thoiABCDcó đỉnhAnằm trong(P)các đỉnh còn lại không nằm trong(P),BD= a,AC =a√

2. Chiếu vuông góc hình thoi ABCDlên(P), ta được hình vuôngAB⁰C⁰D⁰.

a. TínhSABCD vàS_AB⁰_C⁰_D⁰ từ đó suy ra ϕ=^⁄((P);(Q)).

b. GọiE,Flần lượt là giao điểm củaCBvàCDvới(P). TínhSEFDB;S_EFD⁰_B⁰. Lời giải.

a.

Ta cóSABCD = ¹

2 ·AC·BD = ^a

2√ 2 2 .

Do AB⁰C⁰D⁰ là hình chiếu của ABCD lên (P) và BD k B⁰D⁰ nên BD = B⁰D⁰ = a. Mà AB⁰C⁰D⁰ là hình vuông nên suy ra AB⁰ = ^a

√2 2 . Do đóS_AB⁰_C⁰_D⁰ = AB⁰·AD⁰ = ^a

√2 2

!2

= ^a

2

2. Mặt khácS_AB⁰_C⁰_D⁰ =SABCD·cosϕ

⇒cosϕ= ^2a

2

2a²√ 2 =

√2

2 ⇒ _ϕ=45^◦.

A

E

F

C

C⁰ D⁰

B⁰

D

B

b. Trong mặt phẳng(CC⁰D⁰D)gọiFlà giao điểm củaCDvàC⁰D⁰, trong mặt phẳng(BB⁰C⁰C)gọi Elà giao điểm củaBCvàB⁰C⁰.

Dễ thấy







BDk B⁰D⁰

BD⊂(ABCD);B⁰D⁰ ⊂(P) (P)∩(ABCD) = FE

⇒FE k BDk B⁰D⁰, suy raBDFEvàB⁰D⁰FElà các hình thang cân.

Lại có ADk BE⇒ ADBElà hình bình hành, tương tự cũng có ABDFcũng là hình hình hành.

Suy raEF =_2B⁰_D⁰ =2a. Do đóS_EFD⁰_B⁰ = ¹

2(_B⁰_D⁰+_EF)· ^AC

0

2 = ^3a

2

4 . MàS_EFD⁰_B⁰ =_SEFDB·_cosϕ⇒_SEFDB = ^SEFD0B0

cosϕ = ^3a

2

4 cos 45^◦ = ^3a

2√ 2 4 .

{DẠNG 4.3. Chứng minh hai mặt phẳng vuông góc

Trong tài liệu Hướng dẫn giải các dạng toán vectơ trong không gian, quan hệ vuông góc - Học Tập Trực Tuyến Cấp 1,2,3 - Hoc Online 247 (Trang 60-68)