Chương V. Phương pháp toạ độ trong không gian

Bài 16. Công thức tính góc trong không gian

SGK Toán 12 — Kết nối tri thức, tập 2 · 13 bài tập, mỗi câu ít nhất 2 cách giải.

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 m, m, m. Ba chân cột là ba đỉnh của một tam giác đều trên mặt sàn nhà với cạnh dài m. Hỏi mái nhà nghiêng với mặt sàn nhà một góc bao nhiêu độ?
xyzABCA'B'C'O7 m6 m5 m
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến , : .
  • Vectơ vuông góc với cả và 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 lên mặt phẳng tạo với nó góc có diện tích .
🧠 Phân tích tư duy
Mái nhà là mặt phẳng đi qua ba đỉnh cột , sàn nhà là mặt phẳng chứa ba chân cột — câu hỏi chính là góc giữa hai mặt phẳng và . Đặt hệ trục như H.5.33 ( là trung điểm , trên ) thì sàn là và mọi toạ độ đều gọn. Bẫy: độ cao cột là cao độ của đỉnh cột, còn toạ độ chân cột phải tính từ tam giác đều cạnh .
1Cách 1. Toạ độ hoá, vectơ pháp tuyến bằng tích có hướng

Định hướng. Tìm toạ độ ba đỉnh cột, lấy làm vectơ pháp tuyến của mái rồi so với của sàn .








Vậy mái nhà nghiêng với mặt sàn một góc .

2Cách 2. Đường dốc nhất của mái nhà

Định hướng. Tìm trên mái một đường nằm ngang; đường trên mái vuông góc với nó là đường dốc nhất và góc của nó với sàn chính là góc nghiêng của mái.

(),


Vậy góc nghiêng của mái nhà so với sàn là .

3Cách 3. Tỉ số diện tích hình chiếu

Định hướng. Tam giác sàn là hình chiếu vuông góc của tam giác mái lên sàn, nên .




Vậy mái nhà nghiêng khoảng so với mặt sàn.

Nhận xét. Cách 2 không cần toạ độ: chỉ dùng hiệu độ cao hai cột và khoảng cách , vì cột giữa 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. , mái nhà nghiêng với mặt sàn khoảng .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là tính được rồi lại dùng nó cho góc giữa đường dốc và sàn, hoặc ngược lại dùng côsin cho góc giữa và sàn: cho — sai, góc giữa đường thẳng và mặt phẳng phải dùng SIN, đáp số đúng vẫn là .
🚀 Mở rộng. Nếu ba cột cao (cột ở giữa) thì mái nhà có vectơ pháp tuyến ; thử kiểm lại với để được cùng phương với .
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 , cho hai đường thẳng và tương ứng có các vectơ chỉ phương , (H.5.34).
a) Hãy tìm mối quan hệ giữa các góc và .
b) Có nhận xét gì về mối quan hệ giữa và ?
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương , : .
  • ; nếu là vectơ chỉ phương thì cũng là vectơ chỉ phương của cùng đường thẳng.
🧠 Phân tích tư duy
Góc giữa hai đường thẳng luôn thuộc , còn góc giữa hai vectơ thuộc — đây là chỗ khác nhau duy nhất. Vì vậy phải chia theo 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 không vượt quá hay lớn hơn .

a)

b) hoặc

Vậy bằng hoặc bằng , và luôn có .

2Cách 2. Đổi hướng vectơ chỉ phương

Định hướng. và cùng là vectơ chỉ phương của ; một trong hai góc , không tù và đó chính là .




Vậy góc giữa hai đường thẳng là góc không tù trong hai góc và ; do đó .

Nhận xét. Trị tuyệt đối ở tử số 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) nếu ; nếu . b) .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là bỏ dấu trị tuyệt đối, viết . Với , ta được , tức góc — vô lí vì góc giữa hai đường thẳng không vượt quá .
🚀 Mở rộng. Từ công thức suy ra ngay: ; thử áp dụng để tìm sao cho và là chỉ phương của hai đường vuông góc ().
Bài 3 · Luyện tập 1★Trang 51— Góc giữa trục toạ độ và đường thẳng
Luyện tập 1 (trang 51). Trong không gian , tính góc giữa trục và đường thẳng .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương , : .
  • Các trục có vectơ chỉ phương , , ; các mặt phẳng có vectơ pháp tuyến lần lượt là .
🧠 Phân tích tư duy
Trục có vectơ chỉ phương , đường thẳng đọc ngay vectơ chỉ phương từ mẫu số — áp dụng công thức góc giữa hai đường thẳng. Vì chỉ có một thành phần khác nên tử số chỉ còn .
1Cách 1. Công thức góc giữa hai đường thẳng

Định hướng. Dùng và .


Vậy .

2Cách 2. Côsin chỉ phương

Định hướng. Côsin góc giữa đường thẳng và trục bằng trị tuyệt đối thành phần thứ ba của vectơ chỉ phương đơn vị.




Vậy góc giữa trục và khoảng .

3Cách 3. Tam giác vuông dựng từ hai điểm của

Định hướng. Lấy và hạ vuông góc với đường thẳng qua song song ; góc cần tìm là .





Vậy .

Nhận xét. Cả ba cách đều quy về tỉ số — 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 là đọc được , gần như tính nhẩm.
Đáp số. , .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là giữ dấu âm: rồi ra góc . Góc giữa hai đường thẳng không vượt quá nên phải lấy trị tuyệt đối.
🚀 Mở rộng. Tổng quát: nếu thì ; kiểm tra với bài này: .
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 , cho đường thẳng và mặt phẳng . Xét là một vectơ chỉ phương của và (với giá ) là một vectơ pháp tuyến của (H.5.35).
a) Hãy tìm mối quan hệ giữa các góc và .
b) Có nhận xét gì về mối quan hệ giữa và ?
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương ) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến ): .
  • Nếu thì ; góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng, giữa hai mặt phẳng luôn thuộc .
  • Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương , : .
🧠 Phân tích tư duy
là giá của vectơ pháp tuyến nên ; góc giữa và đo với hình chiếu nằm TRONG mặt phẳng, còn góc với đo với đường VUÔNG GÓC mặt phẳng — hai góc này bù nhau thành . Ý b) trong sách in ; theo mạch bài (và khung công thức ngay sau) thì đại lượng bằng là , lời giải trình bày cả hai.
1Cách 1. Tam giác vuông tạo bởi hình chiếu

Định hướng. Khi cắt tại , lấy , hạ : tam giác vuông tại , cạnh song song với .

a)

: ; hoặc :

b)

Vậy và .

2Cách 2. Phân tích vectơ chỉ phương theo phương pháp tuyến

Định hướng. Viết thành tổng của một vectơ cùng phương và một vectơ vuông góc với ; độ dài vectơ cùng phương chia chính là sin của góc với mặt phẳng.




Vậy hai góc và phụ nhau, và .

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 cho thấy ngay hai góc phụ nhau, từ đó .
Đáp số. a) . b) (còn ).
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là dùng nhầm . Với ta có cùng phương , ; nếu dùng côsin sẽ ra góc , trong khi đúng phải là .
🚀 Mở rộng. Hệ quả: hoặc khi và chỉ khi ; thử tìm để song song với mặt phẳng ().
Bài 5 · Luyện tập 2★★Trang 51— Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
Luyện tập 2 (trang 51). Trong không gian , tính góc giữa đường thẳng và mặt phẳng , với: , .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương ) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến ): .
  • Nếu thì ; góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng, giữa hai mặt phẳng luôn thuộc .
  • Nếu đường thẳng cắt tại và , thì .
🧠 Phân tích tư duy
Đọc từ mẫu số và từ hệ số của , rồi dùng công thức SIN. Có thể kiểm chéo bằng hình học: tìm giao điểm của với và dùng khoảng cách từ một điểm của tới .
1Cách 1. Công thức sin

Định hướng. Áp dụng trực tiếp công thức góc giữa đường thẳng và mặt phẳng.



Vậy .

2Cách 2. Góc phụ với đường pháp tuyến

Định hướng. Gọi là giá của (), tính góc giữa hai đường thẳng rồi lấy phần phụ.



Vậy góc giữa và khoảng .

3Cách 3. Giao điểm và khoảng cách

Định hướng. Tìm giao điểm , lấy ; khi đó .







Vậy .

Nhận xét. Cách 3 dài hơn nhưng cho thấy ý nghĩa hình học của công thức: sin là tỉ số giữa cạnh góc vuông và cạnh huyền .

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: một dòng công thức, chỉ cần nhớ dùng SIN chứ không phải côsin.
Đáp số. , .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là tính xong rồi bấm , được — đó là góc giữa và PHÁP TUYẾN, không phải góc với mặt phẳng.
🚀 Mở rộng. Tìm để đường thẳng tạo với góc : giải .
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 , cho hai mặt phẳng tương ứng có các vectơ pháp tuyến là , . Lấy các đường thẳng tương ứng có vectơ chỉ phương (H.5.36).
a) Góc giữa hai mặt phẳng và và góc giữa hai đường thẳng và có mối quan hệ gì?
b) Tính côsin của góc giữa hai mặt phẳng và .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến , : .
  • Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương , : .
  • Góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với hai mặt phẳng đó.
🧠 Phân tích tư duy
và 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 cắt nhau theo giao tuyến , cắt bởi mặt phẳng : trong ta có hai giao tuyến và hai đường vuông góc với chúng (song song ).

a) :
nên song song với (hoặc nằm trong ),
Trong : hai góc có cạnh tương ứng vuông góc thì bằng nhau hoặc bù nhau
hoặc : hoặc trùng, hai góc cùng bằng

b)

Vậy và .

2Cách 2. Tứ giác có hai góc vuông trong H.5.36

Định hướng. Đặt 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 có hai góc vuông.

Tứ giác : (, , , )

(hai góc bù nhau có cùng góc không tù)
b)

Vậy góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai đường thẳng và .

Nhận xét. Từ đó .

⭐ 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) . b) .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là viết . Với , thì , còn góc giữa hai mặt phẳng là .
🚀 Mở rộng. Góc giữa và bằng ; thử tìm mặt phẳng qua tạo với góc .
Bài 7 · Luyện tập 3★★Trang 52— Góc giữa hai mặt phẳng
Luyện tập 3 (trang 52). Trong không gian , tính góc giữa hai mặt phẳng và .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến , : .
  • Các trục có vectơ chỉ phương , , ; các mặt phẳng có vectơ pháp tuyến lần lượt là .
  • Nếu , là hình chiếu của trên giao tuyến thì .
🧠 Phân tích tư duy
có vectơ pháp tuyến nên tử số chỉ còn . Có thể kiểm bằng hình học: lấy trong mỗi mặt phẳng một vectơ vuông góc với giao tuyến, hoặc dùng tỉ số khoảng cách.
1Cách 1. Công thức côsin

Định hướng. Dùng và .


Vậy .

2Cách 2. Hai vectơ vuông góc với giao tuyến

Định hướng. Giao tuyến có chỉ phương ; trong mỗi mặt phẳng lấy vectơ vuông góc với , góc giữa hai vectơ đó (lấy không tù) là góc cần tìm.


Trong :
Trong :

Vậy góc giữa hai mặt phẳng là .

3Cách 3. Tỉ số khoảng cách

Định hướng. Lấy , hạ vuông góc với giao tuyến (); .

:




Vậy .

Nhận xét. Cách 3 là định nghĩa góc nhị diện viết bằng toạ độ: và hình chiếu của nó lên 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 nên tử số chỉ là , ra ngay .
Đáp số. , góc giữa hai mặt phẳng bằng .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là lấy vectơ pháp tuyến của là (nhầm với 'có và '); mặt phẳng có phương trình nên pháp tuyến là .
🚀 Mở rộng. Góc giữa và , cùng bằng (vì ); tổng bình phương ba côsin — 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 m, m, m; ba chân cột là ba đỉnh của một tam giác đều cạnh m (H.5.33). Hỏi mái nhà nghiêng với mặt sàn nhà một góc bao nhiêu độ?
xyzABCA'B'C'O7 m6 m5 m
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến , : .
  • Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương ) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến ): .
  • Các trục có vectơ chỉ phương , , ; các mặt phẳng có vectơ pháp tuyến lần lượt là .
🧠 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 và sàn), góc phụ với trục . Toạ độ theo H.5.33: , , , đỉnh cột , , .
1Cách 1. Phương trình mặt phẳng mái và công thức góc giữa hai mặt phẳng

Định hướng. Viết phương trình , so với sàn .




Vậy mái nhà nghiêng với mặt sàn khoảng .

2Cách 2. Góc giữa đường dốc và mặt sàn

Định hướng. với là giao của mái với trục ; nằm ngang nên là đường dốc nhất, góc của nó với sàn là góc nghiêng của mái.

:


Vậy góc nghiêng của mái bằng góc giữa và sàn, khoảng .

3Cách 3. Góc giữa trục và mái rồi lấy góc phụ

Định hướng. vuông góc với sàn, nên góc giữa mái và sàn phụ với góc giữa trục và mặt phẳng mái.



Vậy mái nhà nghiêng khoảng so với mặt sàn.

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 là đọc được ngay .
Đáp số. , mái nhà nghiêng với mặt sàn khoảng .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là lấy góc giữa cạnh và sàn làm góc nghiêng của mái: , được khoảng — sai, vì không phải đường dốc nhất (không vuông góc với đường nằm ngang của mái).
🚀 Mở rộng. Muốn mái nghiêng đúng khi giữ cột cao m và hai cột đối xứng quanh m, thì hiệu độ cao hai cột phải là m.
Bài 9 · 5.20★Trang 53— Góc giữa hai đường thẳng
Bài 5.20 (trang 53). Trong không gian , tính góc giữa hai đường thẳng: và .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương , : .
  • Định lí côsin: .
  • .
🧠 Phân tích tư duy
cho dạng tham số, đọc ở hệ số của ; cho dạng chính tắc, đọc ở mẫu số. Sách in nhầm tử số thứ hai của là (đúng phải là ) — 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 , .


Vậy .

2Cách 2. Định lí côsin trong tam giác dựng từ hai vectơ

Định hướng. Đặt , , tính ba cạnh tam giác rồi dùng định lí côsin.



Vậy góc giữa hai đường thẳng khoảng .

3Cách 3. Tích có hướng cho sin

Định hướng. ; góc giữa hai đường thẳng không tù nên xác định được từ sin.




Vậy .

Nhận xét. Tích có hướng còn cho ngay , 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. , .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là đọc vectơ chỉ phương của từ TỬ số, được . Vectơ chỉ phương nằm ở MẪU số: . Ngoài ra, thấy tử số in nhầm 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 để vuông góc với đường thẳng có vectơ chỉ phương : .
Bài 10 · 5.21★Trang 53— Góc giữa trục toạ độ và mặt phẳng
Bài 5.21 (trang 53). Trong không gian , tính góc giữa trục và mặt phẳng .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương ) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến ): .
  • Các trục có vectơ chỉ phương , , ; các mặt phẳng có vectơ pháp tuyến lần lượt là .
  • Nếu đường thẳng cắt tại và , thì .
🧠 Phân tích tư duy
Trục là đường thẳng có chỉ phương , mặt phẳng có pháp tuyến — dùng công thức SIN. Trục cắt tại điểm có , 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.


Vậy .

2Cách 2. Góc phụ với đường pháp tuyến

Định hướng. Tính góc giữa và giá của rồi lấy góc phụ.



Vậy góc giữa trục và khoảng .

3Cách 3. Giao điểm và khoảng cách

Định hướng. cắt tại ; lấy , .

: ,


Vậy .

Nhận xét. Với trục , tử số chỉ là : .

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: tử số chỉ là , mẫu là — tính nhẩm được.
Đáp số. , .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là dùng côsin: cho — đó là góc giữa và pháp tuyến, không phải góc với mặt phẳng.
🚀 Mở rộng. Tìm để tạo với góc : .
Bài 11 · 5.22★★Trang 53— Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
Bài 5.22 (trang 53). Tính góc giữa đường thẳng và mặt phẳng .
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa đường thẳng (vectơ chỉ phương ) và mặt phẳng (vectơ pháp tuyến ): .
  • Nếu thì ; góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng, giữa hai mặt phẳng luôn thuộc .
  • Nếu đường thẳng cắt tại và , thì .
🧠 Phân tích tư duy
Đọc , , dùng công thức sin. Kiểm chéo bằng giao điểm và khoảng cách từ điểm tới .
1Cách 1. Công thức sin

Định hướng. Áp dụng trực tiếp với , .


Vậy .

2Cách 2. Góc phụ với đường pháp tuyến

Định hướng. Tính góc giữa và giá của rồi lấy phần phụ.



Vậy góc giữa và khoảng .

3Cách 3. Giao điểm và khoảng cách

Định hướng. Tìm , lấy ứng với ; .






Vậy .

Nhận xét. Hai cách tính cho cùng một tỉ số — xác nhận công thức sin chính là tỉ số cạnh đối trên cạnh huyền.

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 1: một dòng tính, không phải tìm giao điểm.
Đáp số. , .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là đọc vectơ chỉ phương (quên dấu trừ ở mẫu ), được và góc — sai.
🚀 Mở rộng. Viết phương trình hình chiếu của lên : đi qua và có chỉ phương ; góc giữa và hình chiếu đó đúng bằng .
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 , có đáy là hình vuông với cạnh dài m, các cạnh bên bằng nhau và dài m (theo britannica.com) (H.5.38). Tính góc giữa hai mặt phẳng và .
ABCDSHO230 m219 m
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến , : .
  • Trong hình chóp đều, chân đường cao trùng tâm đáy; .
  • 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 của đáy. Đặt làm gốc, trục theo hai đường song song cạnh đáy thì mọi đỉnh có toạ độ gọn; chỉ cần tính chiều cao . 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 là tâm đáy, , , , .







Vậy góc giữa hai mặt phẳng và khoảng .

2Cách 2. Dựng góc phẳng của nhị diện cạnh

Định hướng. Kẻ ; do hai tam giác , bằng nhau nên , góc giữa và là góc cần tìm.

( là trung điểm )




Vậy góc giữa và khoảng (nhị diện khoảng ).

3Cách 3. Qua góc giữa mặt bên và mặt đáy

Định hướng. Gọi là góc giữa mỗi mặt bên và đáy. Pháp tuyến đơn vị của , là và , nên .




Vậy .

Nhận xét. Công thức đúng cho hai mặt bên kề nhau của MỌI hình chóp tứ giác đều; với kim tự tháp, .

⭐ 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 .
Đáp số. , góc giữa hai mặt phẳng khoảng .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp là kết luận góc bằng ở Cách 2. Đó là số đo góc nhị diện ; góc giữa hai mặt phẳng không vượt quá nên phải lấy .
🚀 Mở rộng. Tính thêm góc giữa hai mặt bên đối diện và : pháp tuyến và cho , góc khoảng .
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 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 và khoảng cách từ các điểm đến đáy bể tương ứng là cm, cm, cm.
a) Khoảng cách từ điểm 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?
ABCD1 m1 m1 m
Kiến thức cần nhớ
  • Góc giữa hai mặt phẳng có vectơ pháp tuyến , : .
  • là hình bình hành trung điểm trùng trung điểm .
  • Mặt phẳng có pháp tuyến nên tạo với góc có .
🧠 Phân tích tư duy
Gắn hệ trục vào CHÍNH cái bể (đáy bể là , đơn vị mét): bốn đỉnh mặt nước nằm trên bốn cạnh bên nên có toạ độ , , , 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 : , , , .

a)

b)


Vậy a) cách đáy bể cm; b) đáy bể nghiêng so với mặt nằm ngang khoảng .

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 .

a) (cm)
b)


Vậy cách đáy cm và góc nghiêng khoảng (đáy bể là hình chiếu vuông góc của mặt nước).

3Cách 3. Phương trình mặt nước dạng

Định hướng. Tìm từ , suy ra cao độ của và .

: ; :
:
a)
b)

Vậy a) cm; b) khoảng .

Nhận xét. Mỗi mét theo cạnh đáy, mặt nước dâng thêm cm theo cả hai phương; độ dốc tổng hợp là cm trên mỗi mét, nên góc nghiêng nhỏ, cỡ .

⭐ Cách nên dùng khi đi thi. Đi thi dùng Cách 2 cho ý a) (một dòng: ) và Cách 3 cho ý b) (), không cần tích có hướng.
Đáp số. a) cm. b) , đáy bể nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang khoảng .
Sai lầm thường gặp. Sai lầm thường gặp ở ý a) là lấy đối diện theo kiểu 'trung bình ba số' () — đúng số một cách tình cờ nhưng sai lập luận; với cao cm thì cách đó cho còn đáp số đúng là cm. Ở ý b), nhiều bạn tính góc giữa mặt nước với mặt nằm ngang rồi được — mặt nước nằm ngang, góc cần tìm là góc giữa ĐÁY BỂ và mặt nước.
🚀 Mở rộng. Nếu nghiêng thêm để cách đáy cm thì cách đáy cm và , góc nghiêng khoảng .