Bài 1 · Mở đầu★★★Trang 50— Góc giữa hai mặt phẳng trong bài toán thực tiễn
Mở đầu (trang 50). Một mái nhà hình tròn được đặt trên ba cây cột trụ (H.5.33). Các cây cột vuông góc với mặt sàn nhà phẳng và có độ cao lần lượt là 7 m, 6 m, 5 m. Ba chân cột là ba đỉnh của một tam giác đều trên mặt sàn nhà với cạnh dài 4 m. Hỏi mái nhà nghiêng với mặt sàn nhà một góc bao nhiêu độ?
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′): cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
Vectơ [a,b] vuông góc với cả a và b nên là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa giá của hai vectơ không cùng phương đó.
Hình chiếu vuông góc của đa giác diện tích S lên mặt phẳng tạo với nó góc φ có diện tích S′=Scosφ.
🧠 Phân tích tư duy
Mái nhà là mặt phẳng đi qua ba đỉnh cột A′,B′,C′, sàn nhà là mặt phẳng chứa ba chân cột — câu hỏi chính là góc giữa hai mặt phẳng (A′B′C′) và (ABC). Đặt hệ trục như H.5.33 (O là trung điểm AC, B trên Ox) thì sàn là (Oxy) và mọi toạ độ đều gọn. Bẫy: độ cao cột là cao độ z của đỉnh cột, còn toạ độ chân cột phải tính từ tam giác đều cạnh 4.
1Cách 1. Toạ độ hoá, vectơ pháp tuyến bằng tích có hướng
Định hướng. Tìm toạ độ ba đỉnh cột, lấy [A′B′,A′C′] làm vectơ pháp tuyến của mái rồi so với k của sàn (Oxy).
Nhận xét. Cách 2 không cần toạ độ: chỉ dùng hiệu độ cao hai cột A,C và khoảng cách AC=4, vì cột giữa B cao đúng bằng trung bình của hai cột kia.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 1: đúng công thức của bài học, áp dụng được cho mọi độ cao cột. Khi thấy một cột cao bằng trung bình hai cột kia thì Cách 2 cho đáp số chỉ sau một dòng.
Đáp số.cosφ=52, mái nhà nghiêng với mặt sàn khoảng 26,6∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là tính được cosφ=52 rồi lại dùng nó cho góc giữa đường dốc A′C′ và sàn, hoặc ngược lại dùng côsin cho góc giữa A′C′ và sàn: cos=∣A′C′∣∣A′C′⋅k∣=51 cho 63,4∘ — sai, góc giữa đường thẳng và mặt phẳng phải dùng SIN, đáp số đúng vẫn là 26,6∘.
🚀 Mở rộng.Nếu ba cột cao a,b,c (cột B ở giữa) thì mái nhà có vectơ pháp tuyến (3a+c−2b;a−c;4); thử kiểm lại với a=7,b=6,c=5 để được (0;2;4) cùng phương với (0;1;2).
Bài 2 · HĐ1★★Trang 50— Xây dựng công thức góc giữa hai đường thẳng
HĐ1 (trang 50). Tìm mối quan hệ của góc giữa hai đường thẳng và góc giữa hai vectơ chỉ phương. Trong không gian Oxyz, cho hai đường thẳng Δ và Δ′ tương ứng có các vectơ chỉ phương u=(a;b;c), u′=(a′;b′;c′) (H.5.34). a) Hãy tìm mối quan hệ giữa các góc (Δ,Δ′) và (u,u′). b) Có nhận xét gì về mối quan hệ giữa cos(Δ,Δ′) và cos(u,u′)?
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u=(a;b;c), u′=(a′;b′;c′): cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)=a2+b2+c2⋅a′2+b′2+c′2∣aa′+bb′+cc′∣.
cos(180∘−α)=−cosα; nếu u là vectơ chỉ phương thì −u cũng là vectơ chỉ phương của cùng đường thẳng.
🧠 Phân tích tư duy
Góc giữa hai đường thẳng luôn thuộc [0∘;90∘], còn góc giữa hai vectơ thuộc [0∘;180∘] — đây là chỗ khác nhau duy nhất. Vì vậy phải chia theo (u,u′) nhọn hay tù (H.5.34a và H.5.34b), rồi thấy trị tuyệt đối của côsin gộp được cả hai trường hợp.
1Cách 1. Xét hai trường hợp của góc giữa hai vectơ
Định hướng. Chia theo (u,u′) không vượt quá 90∘ hay lớn hơn 90∘.
a) 0∘≤(u,u′)≤90∘⇒(Δ,Δ′)=(u,u′) 90∘<(u,u′)≤180∘⇒(Δ,Δ′)=180∘−(u,u′) b) cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)≥0 hoặc cos(Δ,Δ′)=cos(180∘−(u,u′))=−cos(u,u′)>0 cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)=a2+b2+c2⋅a′2+b′2+c′2∣aa′+bb′+cc′∣
Vậy(Δ,Δ′) bằng (u,u′) hoặc bằng 180∘−(u,u′), và luôn có cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′).
2Cách 2. Đổi hướng vectơ chỉ phương
Định hướng.u′ và −u′ cùng là vectơ chỉ phương của Δ′; một trong hai góc (u,u′), (u,−u′) không tù và đó chính là (Δ,Δ′).
Vậy góc giữa hai đường thẳng là góc không tù trong hai góc (u,u′) và 180∘−(u,u′); do đó cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′).
Nhận xét. Trị tuyệt đối ở tử số ∣aa′+bb′+cc′∣ chính là dấu vết của việc được phép đổi hướng vectơ chỉ phương.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Nên nhớ theo Cách 2: đổi hướng vectơ chỉ phương làm góc tù thành góc nhọn, nên côsin chỉ cần lấy trị tuyệt đối.
Đáp số.a) (Δ,Δ′)=(u,u′) nếu (u,u′)≤90∘; (Δ,Δ′)=180∘−(u,u′) nếu (u,u′)>90∘. b) cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′).
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là bỏ dấu trị tuyệt đối, viết cos(Δ,Δ′)=∣u∣⋅∣u′∣aa′+bb′+cc′. Với u=(1;0;0), u′=(−1;1;0) ta được cos=−22, tức góc 135∘ — vô lí vì góc giữa hai đường thẳng không vượt quá 90∘.
🚀 Mở rộng.Từ công thức suy ra ngay: Δ⊥Δ′⇔aa′+bb′+cc′=0; thử áp dụng để tìm m sao cho u=(1;m;2) và u′=(m;1;−1) là chỉ phương của hai đường vuông góc (m=1).
Bài 3 · Luyện tập 1★Trang 51— Góc giữa trục toạ độ và đường thẳng
Luyện tập 1 (trang 51). Trong không gian Oxyz, tính góc giữa trục Oz và đường thẳng Δ:1x−3=2y+1=−2z−1.
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u=(a;b;c), u′=(a′;b′;c′): cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)=a2+b2+c2⋅a′2+b′2+c′2∣aa′+bb′+cc′∣.
Các trục Ox,Oy,Oz có vectơ chỉ phương i=(1;0;0), j=(0;1;0), k=(0;0;1); các mặt phẳng (Oyz),(Oxz),(Oxy) có vectơ pháp tuyến lần lượt là i,j,k.
🧠 Phân tích tư duy
Trục Oz có vectơ chỉ phương k=(0;0;1), đường thẳng Δ đọc ngay vectơ chỉ phương từ mẫu số u=(1;2;−2) — áp dụng công thức góc giữa hai đường thẳng. Vì k chỉ có một thành phần khác 0 nên tử số chỉ còn ∣c∣.
Nhận xét. Cả ba cách đều quy về tỉ số ∣u∣∣c∣ — với trục toạ độ, công thức góc chỉ còn một thành phần.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 2: chỉ cần ∣u∣=3 là đọc được cos=32, gần như tính nhẩm.
Đáp số.cos(Oz,Δ)=32, (Oz,Δ)≈48,2∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là giữ dấu âm: cos=−32 rồi ra góc 131,8∘. Góc giữa hai đường thẳng không vượt quá 90∘ nên phải lấy trị tuyệt đối.
🚀 Mở rộng.Tổng quát: nếu u=(a;b;c) thì cos2(Ox,Δ)+cos2(Oy,Δ)+cos2(Oz,Δ)=1; kiểm tra với bài này: 91+94+94=1.
Bài 4 · HĐ2★★Trang 51— Xây dựng công thức góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
HĐ2 (trang 51). Tìm mối quan hệ của góc giữa đường thẳng và mặt phẳng với góc giữa vectơ chỉ phương và vectơ pháp tuyến tương ứng. Trong không gian Oxyz, cho đường thẳng Δ và mặt phẳng (P). Xét u=(a;b;c) là một vectơ chỉ phương của Δ và n=(A;B;C) (với giá Δ′) là một vectơ pháp tuyến của (P) (H.5.35). a) Hãy tìm mối quan hệ giữa các góc (Δ,(P)) và (Δ,Δ′). b) Có nhận xét gì về mối quan hệ giữa sin(Δ,Δ′) và cos(u,n)?
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương u=(a;b;c)) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến n=(A;B;C)): sin(Δ,(P))=cos(u,n)=a2+b2+c2⋅A2+B2+C2∣aA+bB+cC∣.
Nếu Δ′⊥(P) thì (Δ,(P))=90∘−(Δ,Δ′); góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng, giữa hai mặt phẳng luôn thuộc [0∘;90∘].
Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u=(a;b;c), u′=(a′;b′;c′): cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)=a2+b2+c2⋅a′2+b′2+c′2∣aa′+bb′+cc′∣.
🧠 Phân tích tư duy
Δ′ là giá của vectơ pháp tuyến nên Δ′⊥(P); góc giữa Δ và (P) đo với hình chiếu nằm TRONG mặt phẳng, còn góc với Δ′ đo với đường VUÔNG GÓC mặt phẳng — hai góc này bù nhau thành 90∘. Ý b) trong sách in sin(Δ,Δ′); theo mạch bài (và khung công thức ngay sau) thì đại lượng bằng cos(u,n) là sin(Δ,(P))=cos(Δ,Δ′), lời giải trình bày cả hai.
1Cách 1. Tam giác vuông tạo bởi hình chiếu
Định hướng. Khi Δ cắt (P) tại I, lấy M∈Δ, hạ MH⊥(P): tam giác IMH vuông tại H, cạnh MH song song với Δ′.
a) (Δ,(P))=MIH,(Δ,Δ′)=(IM,MH)=IMH MIH+IMH=90∘ Δ⊥(P): (Δ,(P))=90∘,(Δ,Δ′)=0∘; Δ∥(P) hoặc Δ⊂(P): (Δ,(P))=0∘,(Δ,Δ′)=90∘ (Δ,(P))+(Δ,Δ′)=90∘ b) sin(Δ,(P))=cos(Δ,Δ′)=cos(u,n) sin(Δ,Δ′)=cos(Δ,(P))=1−cos2(u,n)
Vậy(Δ,(P))=90∘−(Δ,Δ′) và sin(Δ,(P))=cos(u,n)=a2+b2+c2⋅A2+B2+C2∣aA+bB+cC∣.
2Cách 2. Phân tích vectơ chỉ phương theo phương pháp tuyến
Định hướng. Viết u thành tổng của một vectơ cùng phương n và một vectơ vuông góc với n; độ dài vectơ cùng phương n chia ∣u∣ chính là sin của góc với mặt phẳng.
Vậy hai góc (Δ,(P)) và (Δ,Δ′) phụ nhau, và sin(Δ,(P))=cos(u,n).
Nhận xét. Đó là lí do công thức góc đường thẳng – mặt phẳng dùng SIN còn công thức góc hai đường thẳng dùng CÔSIN: ta đo với pháp tuyến rồi lấy góc phụ.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Nên nhớ theo Cách 1: hình tam giác vuông IMH cho thấy ngay hai góc phụ nhau, từ đó sin(Δ,(P))=cos(Δ,Δ′).
Đáp số.a) (Δ,(P))+(Δ,Δ′)=90∘. b) sin(Δ,(P))=cos(Δ,Δ′)=cos(u,n) (còn sin(Δ,Δ′)=cos(Δ,(P))).
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là dùng nhầm cos(Δ,(P))=cos(u,n). Với Δ⊥(P) ta có u cùng phương n, cos(u,n)=1; nếu dùng côsin sẽ ra góc 0∘, trong khi đúng phải là 90∘.
🚀 Mở rộng.Hệ quả: Δ∥(P) hoặc Δ⊂(P) khi và chỉ khi aA+bB+cC=0; thử tìm m để u=(1;m;1) song song với mặt phẳng x+2y−3z=0 (m=1).
Bài 5 · Luyện tập 2★★Trang 51— Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
Luyện tập 2 (trang 51). Trong không gian Oxyz, tính góc giữa đường thẳng Δ và mặt phẳng (P), với: Δ:−1x+2=2y−4=1z+1, (P):x−y+z−1=0.
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương u=(a;b;c)) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến n=(A;B;C)): sin(Δ,(P))=cos(u,n)=a2+b2+c2⋅A2+B2+C2∣aA+bB+cC∣.
Nếu Δ′⊥(P) thì (Δ,(P))=90∘−(Δ,Δ′); góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng, giữa hai mặt phẳng luôn thuộc [0∘;90∘].
Nếu đường thẳng Δ cắt (P) tại I và M∈Δ, M=I thì sin(Δ,(P))=IMd(M,(P)).
🧠 Phân tích tư duy
Đọc u=(−1;2;1) từ mẫu số và n=(1;−1;1) từ hệ số của (P), rồi dùng công thức SIN. Có thể kiểm chéo bằng hình học: tìm giao điểm I của Δ với (P) và dùng khoảng cách từ một điểm của Δ tới (P).
1Cách 1. Công thức sin
Định hướng. Áp dụng trực tiếp công thức góc giữa đường thẳng và mặt phẳng.
Bài 6 · HĐ3★★Trang 52— Xây dựng công thức góc giữa hai mặt phẳng
HĐ3 (trang 52). Tìm mối quan hệ của góc giữa hai mặt phẳng và góc giữa hai vectơ pháp tuyến. Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng (P),(Q) tương ứng có các vectơ pháp tuyến là n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′). Lấy các đường thẳng Δ,Δ′ tương ứng có vectơ chỉ phương n,n′ (H.5.36). a) Góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) và góc giữa hai đường thẳng Δ và Δ′ có mối quan hệ gì? b) Tính côsin của góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q).
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′): cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u=(a;b;c), u′=(a′;b′;c′): cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)=a2+b2+c2⋅a′2+b′2+c′2∣aa′+bb′+cc′∣.
Góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với hai mặt phẳng đó.
🧠 Phân tích tư duy
Δ⊥(P) và Δ′⊥(Q) nên góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai đường vuông góc với chúng. Khi đó ý b) chỉ còn là áp dụng công thức góc giữa hai đường thẳng (HĐ1) cho hai vectơ pháp tuyến.
1Cách 1. Mặt phẳng vuông góc với giao tuyến
Định hướng. Khi (P),(Q) cắt nhau theo giao tuyến c, cắt bởi mặt phẳng (R)⊥c: trong (R) ta có hai giao tuyến p,q và hai đường vuông góc với chúng (song song Δ,Δ′).
a) (R)⊥c: (P)∩(R)=p,(Q)∩(R)=q,((P),(Q))=(p,q) Δ⊥(P),Δ′⊥(Q)⇒Δ⊥c,Δ′⊥c nên Δ,Δ′ song song với (R) (hoặc nằm trong (R)), Δ⊥p,Δ′⊥q Trong (R): hai góc có cạnh tương ứng vuông góc thì bằng nhau hoặc bù nhau ⇒(Δ,Δ′)=(p,q) (P)∥(Q) hoặc (P)≡(Q): Δ∥Δ′ hoặc trùng, hai góc cùng bằng 0∘ ((P),(Q))=(Δ,Δ′) b) cos((P),(Q))=cos(Δ,Δ′)=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣
Vậy((P),(Q))=(Δ,Δ′) và cos((P),(Q))=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
2Cách 2. Tứ giác có hai góc vuông trong H.5.36
Định hướng. Đặt Δ,Δ′ cắt nhau tại một điểm trong mặt phẳng vuông góc với giao tuyến như H.5.36; tứ giác tạo bởi hai vết mặt phẳng và hai đường Δ,Δ′ có hai góc vuông.
Tứ giác OHKL: OHK=OLK=90∘ (O∈c, H∈Δ, L∈Δ′, K=Δ∩Δ′) HOL+HKL=360∘−90∘−90∘=180∘ (Δ,Δ′)=(p,q)=((P),(Q)) (hai góc bù nhau có cùng góc không tù) b) cos((P),(Q))=cos(n,n′)
Vậy góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai đường thẳng Δ,Δ′ và cos((P),(Q))=cos(n,n′).
Nhận xét. Từ đó (P)⊥(Q)⇔AA′+BB′+CC′=0.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Nên nhớ theo Cách 2: tứ giác có hai góc vuông cho ngay hai góc bù nhau, từ đó góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai pháp tuyến.
Đáp số.a) ((P),(Q))=(Δ,Δ′). b) cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là viết ((P),(Q))=(n,n′). Với n=(0;0;1), n′=(0;1;−1) thì (n,n′)=135∘, còn góc giữa hai mặt phẳng là 45∘.
🚀 Mở rộng.Góc giữa (P):x+y=0 và (Q):y+z=0 bằng 60∘; thử tìm mặt phẳng qua Oz tạo với (Oxz) góc 30∘.
Bài 7 · Luyện tập 3★★Trang 52— Góc giữa hai mặt phẳng
Luyện tập 3 (trang 52). Trong không gian Oxyz, tính góc giữa hai mặt phẳng (P):x−2y+z−2=0 và (Oxz):y=0.
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′): cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
Các trục Ox,Oy,Oz có vectơ chỉ phương i=(1;0;0), j=(0;1;0), k=(0;0;1); các mặt phẳng (Oyz),(Oxz),(Oxy) có vectơ pháp tuyến lần lượt là i,j,k.
Nếu M∈(P), K là hình chiếu của M trên giao tuyến c=(P)∩(Q) thì sin((P),(Q))=MKd(M,(Q)).
🧠 Phân tích tư duy
(Oxz) có vectơ pháp tuyến j=(0;1;0) nên tử số chỉ còn ∣B∣=2. Có thể kiểm bằng hình học: lấy trong mỗi mặt phẳng một vectơ vuông góc với giao tuyến, hoặc dùng tỉ số khoảng cách.
Định hướng. Giao tuyến c có chỉ phương d; trong mỗi mặt phẳng lấy vectơ vuông góc với d, góc giữa hai vectơ đó (lấy không tù) là góc cần tìm.
c:y=0,x+z−2=0,d=(1;0;−1) Trong (Oxz): a=(1;0;1)⊥d Trong (P): b=[n,d]=((−2)(−1)−1⋅0;1⋅1−1⋅(−1);1⋅0−(−2)⋅1)=(2;2;2) cos(a,b)=2⋅2+4+22+0+2=2⋅2222=22 ((P),(Oxz))=45∘
Vậy góc giữa hai mặt phẳng là 45∘.
3Cách 3. Tỉ số khoảng cách
Định hướng. Lấy M∈(P), hạ MK vuông góc với giao tuyến (MK⊂(P)); sinφ=MKd(M,(Oxz)).
Nhận xét. Cách 3 là định nghĩa góc nhị diện viết bằng toạ độ: MK và hình chiếu của nó lên (Oxz) tạo thành góc phẳng của nhị diện.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 1: pháp tuyến của mặt phẳng toạ độ là j nên tử số chỉ là 2, ra ngay 45∘.
Đáp số.cos((P),(Oxz))=22, góc giữa hai mặt phẳng bằng 45∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là lấy vectơ pháp tuyến của (Oxz) là (1;0;1) (nhầm với 'có x và z'); mặt phẳng (Oxz) có phương trình y=0 nên pháp tuyến là j=(0;1;0).
🚀 Mở rộng.Góc giữa (P) và (Oxy), (Oyz) cùng bằng 60∘ (vì cos=21); tổng bình phương ba côsin 41+21+41=1 — thử giải thích vì sao.
Bài 8 · Vận dụng★★★Trang 53— Góc giữa hai mặt phẳng trong bài toán thực tiễn
Vận dụng (trang 53). Hãy trả lời câu hỏi đã được nêu ra trong tình huống mở đầu: một mái nhà được đặt trên ba cây cột trụ vuông góc với mặt sàn, cao lần lượt 7 m, 6 m, 5 m; ba chân cột là ba đỉnh của một tam giác đều cạnh 4 m (H.5.33). Hỏi mái nhà nghiêng với mặt sàn nhà một góc bao nhiêu độ?
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′): cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương u=(a;b;c)) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến n=(A;B;C)): sin(Δ,(P))=cos(u,n)=a2+b2+c2⋅A2+B2+C2∣aA+bB+cC∣.
Các trục Ox,Oy,Oz có vectơ chỉ phương i=(1;0;0), j=(0;1;0), k=(0;0;1); các mặt phẳng (Oyz),(Oxz),(Oxy) có vectơ pháp tuyến lần lượt là i,j,k.
🧠 Phân tích tư duy
Sau khi đã có đủ ba công thức góc, ta giải lại tình huống mở đầu bằng CHÍNH các công thức đó: góc giữa hai mặt phẳng (mái và sàn), góc giữa đường thẳng và mặt phẳng (đường dốc A′C′ và sàn), góc phụ với trục Oz. Toạ độ theo H.5.33: A(0;−2;0), B(23;0;0), C(0;2;0), đỉnh cột A′(0;−2;7), B′(23;0;6), C′(0;2;5).
1Cách 1. Phương trình mặt phẳng mái và công thức góc giữa hai mặt phẳng
Định hướng. Viết phương trình (A′B′C′), so với sàn (Oxy):z=0.
Nhận xét. Ba cách dùng đúng ba công thức của bài: hai mặt phẳng, đường thẳng – mặt phẳng, và quan hệ góc phụ.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 1: có phương trình mái y+2z−12=0 là đọc được ngay cosφ=52.
Đáp số.cosφ=52, mái nhà nghiêng với mặt sàn khoảng 26,6∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là lấy góc giữa cạnh A′B′ và sàn làm góc nghiêng của mái: sin(A′B′,(Oxy))=171, được khoảng 14∘ — sai, vì A′B′ không phải đường dốc nhất (không vuông góc với đường nằm ngang B′O′ của mái).
🚀 Mở rộng.Muốn mái nghiêng đúng 30∘ khi giữ cột B cao 6 m và hai cột A,C đối xứng quanh 6 m, thì hiệu độ cao hai cột A,C phải là 4tan30∘=343≈2,31 m.
Bài 5.20 (trang 53). Trong không gian Oxyz, tính góc giữa hai đường thẳng: Δ1:⎩⎨⎧x=1+2ty=1−tz=2+3t và Δ2:−1x−2=1x+1=2z−2.
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u=(a;b;c), u′=(a′;b′;c′): cos(Δ,Δ′)=cos(u,u′)=a2+b2+c2⋅a′2+b′2+c′2∣aa′+bb′+cc′∣.
Định lí côsin: ∣a−b∣2=∣a∣2+∣b∣2−2∣a∣⋅∣b∣cos(a,b).
[a,b]=∣a∣⋅∣b∣⋅sin(a,b).
🧠 Phân tích tư duy
Δ1 cho dạng tham số, đọc u1=(2;−1;3) ở hệ số của t; Δ2 cho dạng chính tắc, đọc u2=(−1;1;2) ở mẫu số. Sách in nhầm tử số thứ hai của Δ2 là x+1 (đúng phải là y+1) — lỗi này không ảnh hưởng vectơ chỉ phương nên đáp số không đổi.
1Cách 1. Công thức góc giữa hai đường thẳng
Định hướng. Áp dụng trực tiếp với u1=(2;−1;3), u2=(−1;1;2).
Nhận xét. Tích có hướng còn cho ngay [u1,u2]=0, tức hai đường không song song — một thông tin mà công thức côsin không cho.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 1: một phép tích vô hướng và hai độ dài; Cách 3 chỉ nên dùng khi đã có sẵn tích có hướng.
Đáp số.cos(Δ1,Δ2)=1421, (Δ1,Δ2)≈70,9∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là đọc vectơ chỉ phương của Δ2 từ TỬ số, được (2;−1;2). Vectơ chỉ phương nằm ở MẪU số: (−1;1;2). Ngoài ra, thấy tử số in nhầm x+1 mà vội kết luận đề sai rồi bỏ bài — thật ra lỗi in chỉ ở toạ độ điểm, không ở vectơ chỉ phương.
🚀 Mở rộng.Tìm m để Δ1 vuông góc với đường thẳng có vectơ chỉ phương (m;1;1): 2m−1+3=0⇔m=−1.
Bài 10 · 5.21★Trang 53— Góc giữa trục toạ độ và mặt phẳng
Bài 5.21 (trang 53). Trong không gian Oxyz, tính góc giữa trục Oz và mặt phẳng (P):x+2y−z−1=0.
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương u=(a;b;c)) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến n=(A;B;C)): sin(Δ,(P))=cos(u,n)=a2+b2+c2⋅A2+B2+C2∣aA+bB+cC∣.
Các trục Ox,Oy,Oz có vectơ chỉ phương i=(1;0;0), j=(0;1;0), k=(0;0;1); các mặt phẳng (Oyz),(Oxz),(Oxy) có vectơ pháp tuyến lần lượt là i,j,k.
Nếu đường thẳng Δ cắt (P) tại I và M∈Δ, M=I thì sin(Δ,(P))=IMd(M,(P)).
🧠 Phân tích tư duy
Trục Oz là đường thẳng có chỉ phương k=(0;0;1), mặt phẳng có pháp tuyến n=(1;2;−1) — dùng công thức SIN. Trục Oz cắt (P) tại điểm có x=y=0, nên cũng làm được bằng giao điểm và khoảng cách.
1Cách 1. Công thức sin
Định hướng. Áp dụng công thức góc giữa đường thẳng và mặt phẳng.
Bài 12 · 5.23★★★Trang 53— Góc giữa hai mặt phẳng trong hình chóp đều (thực tiễn)
Bài 5.23 (trang 53). Kim tự tháp Kheops ở Ai Cập có dạng hình chóp S.ABCD, có đáy là hình vuông với cạnh dài 230 m, các cạnh bên bằng nhau và dài 219 m (theo britannica.com) (H.5.38). Tính góc giữa hai mặt phẳng (SAB) và (SBC).
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′): cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
Trong hình chóp đều, chân đường cao trùng tâm đáy; SO2=SA2−OA2.
Góc giữa hai mặt phẳng cắt nhau bằng góc giữa hai đường thẳng lần lượt nằm trong hai mặt phẳng và cùng vuông góc với giao tuyến tại một điểm (nếu góc đó tù thì lấy góc bù).
🧠 Phân tích tư duy
Hình chóp có đáy vuông, cạnh bên bằng nhau nên là chóp đều: chân đường cao là tâm O của đáy. Đặt O làm gốc, trục theo hai đường song song cạnh đáy thì mọi đỉnh có toạ độ gọn; chỉ cần tính chiều cao SO=2192−2⋅1152. Bẫy: hai mặt bên kề nhau tạo nhị diện TÙ, còn góc giữa hai mặt phẳng phải lấy góc không tù.
1Cách 1. Toạ độ hoá, hai vectơ pháp tuyến
Định hướng. Gốc O là tâm đáy, A(115;−115;0), B(115;115;0), C(−115;115;0), S(0;0;h).
Vậy góc giữa hai mặt phẳng (SAB) và (SBC) khoảng 67,6∘.
2Cách 2. Dựng góc phẳng của nhị diện cạnh SB
Định hướng. Kẻ AH⊥SB; do hai tam giác SAB, SCB bằng nhau nên CH⊥SB, góc giữa AH và CH là góc cần tìm.
SM=2192−1152=34736 (M là trung điểm AB) SSAB=21⋅230⋅34736=11534736 AH=CH=SB2SSAB=21923034736,AC=2302 cosAHC=2AH⋅CHAH2+CH2−AC2=1−2AH2AC2=1−347362192=−3473613225 AHC≈112,4∘ ((SAB),(SBC))=180∘−AHC≈67,6∘
Vậy góc giữa (SAB) và (SBC) khoảng 67,6∘ (nhị diện [A,SB,C] khoảng 112,4∘).
3Cách 3. Qua góc giữa mặt bên và mặt đáy
Định hướng. Gọi α là góc giữa mỗi mặt bên và đáy. Pháp tuyến đơn vị của (SAB), (SBC) là sinαi+cosαk và sinαj+cosαk, nên cosφ=cos2α.
Nhận xét. Công thức cosφ=cos2α đúng cho hai mặt bên kề nhau của MỌI hình chóp tứ giác đều; với kim tự tháp, α≈51,9∘.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 1: đặt gốc ở tâm đáy thì hai tích có hướng chỉ khác nhau thứ tự thành phần, ra ngay cosφ=h2+11521152.
Đáp số.cos((SAB),(SBC))=3473613225, góc giữa hai mặt phẳng khoảng 67,6∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp là kết luận góc bằng AHC≈112,4∘ ở Cách 2. Đó là số đo góc nhị diện [A,SB,C]; góc giữa hai mặt phẳng không vượt quá 90∘ nên phải lấy 180∘−112,4∘=67,6∘.
🚀 Mở rộng.Tính thêm góc giữa hai mặt bên đối diện (SAB) và (SCD): pháp tuyến (h;0;115) và (−h;0;115) cho cos=h2+11521152−h2=347368286, góc khoảng 76,2∘.
Bài 13 · 5.24★★★Trang 53— Toạ độ hoá bài toán thực tiễn: điểm thứ tư của hình bình hành và góc giữa hai mặt phẳng
Bài 5.24 (trang 53). (H.5.39) Trong một bể hình lập phương cạnh 1 m có chứa một ít nước. Người ta đặt đáy bể nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang. Biết rằng, lúc đó mặt nước có dạng hình bình hành ABCD và khoảng cách từ các điểm A,B,C đến đáy bể tương ứng là 40 cm, 44 cm, 48 cm. a) Khoảng cách từ điểm D đến đáy bể bằng bao nhiêu centimét? (Tính gần đúng, lấy giá trị nguyên.) b) Đáy bể nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang một góc bao nhiêu độ?
Kiến thức cần nhớ
Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n=(A;B;C), n′=(A′;B′;C′): cos((P),(Q))=cos(n,n′)=A2+B2+C2⋅A′2+B′2+C′2∣AA′+BB′+CC′∣.
ABCD là hình bình hành ⇔AB=DC⇔ trung điểm AC trùng trung điểm BD.
Mặt phẳng z=αx+βy+γ có pháp tuyến (α;β;−1) nên tạo với (Oxy) góc φ có tanφ=α2+β2.
🧠 Phân tích tư duy
Gắn hệ trục vào CHÍNH cái bể (đáy bể là (Oxy), đơn vị mét): bốn đỉnh mặt nước nằm trên bốn cạnh bên nên có toạ độ (0;0;⋅), (0;1;⋅), (1;1;⋅), (1;0;⋅) với cao độ là khoảng cách tới đáy bể. Mặt nước luôn nằm ngang, nên góc nghiêng của đáy bể so với mặt ngang chính là góc giữa đáy bể và mặt nước.
1Cách 1. Toạ độ hoá, vectơ bằng nhau và tích có hướng
Định hướng. Đáy bể là (Oxy): A(0;0;0,4), B(0;1;0,44), C(1;1;0,48), D(1;0;z).
a) AB=(0;1;0,04),DC=(0;1;0,48−z) AB=DC⇔0,48−z=0,04⇔z=0,44 b) AD=(1;0;0,04) n=[AB,AD]=(1⋅0,04−0,04⋅0;0,04⋅1−0⋅0,04;0⋅0−1⋅1)=(0,04;0,04;−1) cos((ABCD),(Oxy))=0,0016+0,0016+1∣−1∣=1,00321 φ≈3,2∘
Vậy a) D cách đáy bể 44 cm; b) đáy bể nghiêng so với mặt nằm ngang khoảng 3,2∘.
2Cách 2. Trung điểm hai đường chéo và diện tích hình chiếu
Định hướng. Cao độ trung điểm hai đường chéo bằng nhau; hình chiếu của mặt nước lên đáy bể là cả hình vuông đáy, nên cosφ=SABCDSday.
a) 2zA+zC=2zB+zD⇔40+48=44+zD⇔zD=44 (cm) b) SABCD=[AB,AD]=0,042+0,042+1=1,0032 S′=1⋅1=1 cosφ=SABCDS′=1,00321 φ≈3,2∘
VậyD cách đáy 44 cm và góc nghiêng khoảng 3,2∘ (đáy bể là hình chiếu vuông góc của mặt nước).
3Cách 3. Phương trình mặt nước dạng z=αx+βy+γ
Định hướng. Tìm α,β,γ từ A,B,C, suy ra cao độ của D và tanφ=α2+β2.
A: γ=0,4; B: β+0,4=0,44⇔β=0,04 C: α+0,04+0,4=0,48⇔α=0,04 a) zD=0,04⋅1+0,04⋅0+0,4=0,44 b) tanφ=0,042+0,042=0,042≈0,0566 φ≈3,2∘
Vậy a) 44 cm; b) khoảng 3,2∘.
Nhận xét. Mỗi mét theo cạnh đáy, mặt nước dâng thêm 4 cm theo cả hai phương; độ dốc tổng hợp là 42 cm trên mỗi mét, nên góc nghiêng nhỏ, cỡ 3∘.
⭐ Cách nên dùng khi đi thi.Đi thi dùng Cách 2 cho ý a) (một dòng: 40+48=44+zD) và Cách 3 cho ý b) (tanφ=0,042), không cần tích có hướng.
Đáp số.a) 44 cm. b) cosφ=1,00321, đáy bể nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang khoảng 3,2∘.
Sai lầm thường gặp.Sai lầm thường gặp ở ý a) là lấy D đối diện B theo kiểu 'trung bình ba số' (340+44+48=44) — đúng số một cách tình cờ nhưng sai lập luận; với A,B,C cao 40,44,50 cm thì cách đó cho 44,7 còn đáp số đúng là 46 cm. Ở ý b), nhiều bạn tính góc giữa mặt nước với mặt nằm ngang rồi được 0∘ — mặt nước nằm ngang, góc cần tìm là góc giữa ĐÁY BỂ và mặt nước.
🚀 Mở rộng.Nếu nghiêng thêm để A,B,C cách đáy 30,40,50 cm thì D cách đáy 40 cm và tanφ=0,12+0,12=0,12, góc nghiêng khoảng 8,0∘.