Bài 4: Hai mặt phẳng vuông góc - Hình học 11

Nội dung bài học sẽ giúp các em nắm được khái niệm, cách xác định góc giữa hai mặt phẳng, mối liên hệ của diện tích đa giáchình chiếu của nó, các điều kiện để hai mặt phẳng vuông góc nhau. Bên cạnh đó là các ví dụ minh họa sẽ giúp các em hình thành các kĩ năng giải bài tập liên quan đến xác định góc giữa hai mặt phẳng, chứng minh hai mặt phẳng vuông góc,...

Tóm tắt lý thuyết

1. Góc giữa hai mặt phẳng

a) Định nghĩa

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

Nhận xét: Nếu hai mặt phẳng song song hoặc trùng nhauthì ta nói rằng góc giữa hai mặt phẳng đó bằng 0o.

b) Cách xác định góc giữa hai mặt phẳng cắt nhau:

Cho hai mặt phẳng (P) và (Q): \((P) \cap \left( Q \right) = c\)

Lấy I bất kì thuộc c.

Trong (P) qua I kẻ \(a \bot c\).

Trong (Q) qua I kẻ \(b \bot c\).

Khi đó góc giữa hai mặt phẳng (P), (Q) là góc giữa hai đường thẳng a và b.

Xác định góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) có giao tuyến c

c) Diện tích hình chiếu của một đa giác

Với S là diện tích đa giác nằm trong (P), S’ là diện tích hình chiếu vuông góc của đa giác đó trên (Q), \(\varphi\) là góc giữa (P) và (Q) ta có: \(S'=S.\cos \varphi\).

2. Hai mặt phẳng vuông góc

a) Định nghĩa

Hai mặt phẳng được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa chúng bằng 900.

b) Các định lý

  • Định lý 1: Nếu một mặt phẳng chứa một đường thẳng vuông góc với một mặt phẳng khác thì hai mặt phẳng đó vuông góc với nhau.

Định lý 1 Hai mặt phẳng vuông góc

\(\left\{ \begin{array}{l} a \bot mp(P)\\ a \subset mp(Q) \end{array} \right. \Rightarrow mp(Q) \bot mp(P)\)

  • Hệ quả 1: Nếu hai mặt phẳng (P) và (Q) vuông góc với nhau thì bất cứ đường thẳng a nào nằm trong (P), vuông góc với giao tuyến của (P) và (Q) đều vuông góc với mặt phẳng (Q). 

Hệ quả 1 Hai mặt phẳng vuông góc

\(\left\{ \begin{array}{l} (P) \bot (Q)\\ (P) \cap (Q) = d\\ a \subset (P),a \bot d \end{array} \right. \Rightarrow a \bot (Q)\)

  • Hệ quả 2: Nếu hai mặt phẳng (P) và (Q) vuông góc với nhau và A là một điểm trong (P) thì đường thẳng a đi qua điểm A và vuông góc với (Q) sẽ nằm trong (P).

Hệ quả 2 Hai mặt phẳng vuông góc

\(\left\{ \begin{array}{l} (P) \bot (Q)\\ A \in (P)\\ A \in a\\ a \bot (Q) \end{array} \right. \Rightarrow a \subset (P)\)

  • Hệ quả 3: Nếu hai mặt phẳng cắt nhau và cùng vuông góc với mặt phẳng thứ ba thì giao tuyến của chúng vuông góc với mặt phẳng thứ ba.

\(\left\{ \begin{array}{l} (P) \cap (Q) = a\\ (P) \bot (R)\\ (Q) \bot (R) \end{array} \right. \Rightarrow a \bot (R)\)

3.Hình lăng trụ đứng, hình hộp chữ nhật, hình lập phương

a) Hình lăng trụ đứng

Định nghĩa: Hình lăng trụ đứng là hình lăng trụ có cạnh bên vuông góc với đáy.

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

lăng trụ đứng tam giác        Lăng trụ đứng ngũ giác

b) Hình lăng trụ đều

Định nghĩa: 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.

Lăng trụ tam giác đều

c) Hình hộp đứng

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

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

Hình hộp đứng

d) Hình hộp chữ nhật

Định nghĩa: 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.

e) Hình lập phương 

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

Hình lập phương

4.Hình chóp đều và hình chóp cụt đều

a) Hình chóp đều

Định nghĩa: Một hình chóp được gọi là hình chóp đều nếu đáy của nó là đa giác đều và các cạnh bên bằng nhau.

Hình chóp tam giác đều

Nhận xét:

          + Đường vuông góc với mặt đáy kẻ từ đỉnh gọi là đường cao của hình chóp.

          + Một hình chóp là hình chóp đều đáy của nó là đa giác đều và chân đường cao của hình chóp trùng với tâm của đáy.

          + Một hình chóp là hình chóp đều đáy của nó là đa giác đều và các cạnh bên tạo voéi mặt đáy các góc bằng nhau.

b) Hình chóp cụt

Định nghĩa: Khi cắt hình chóp đều bởi 1 mặt phẳng song song với đáy để được 1 hình chóp cụt thì hình chóp cụt đó được gọi là hình chóp cụt đều.

Hình chóp cụt đều

Nhận xét:

  • Hai đáy của hình chóp cụt đều là 2 đa giác đều đồng dạng với nhau.
  • Đoạn nối tâm 2 đáy được gọi là đường cao của hình chóp cụt đều.
  • Trong hình chóp cụt đều các mặt bên là những hình thang cân bằng nhau.

Bài tập minh họa

Ví dụ 1:

Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng a. Tính số đo của góc giữa (BA’C) và (DA’C).

Hướng dẫn giải:

Kẻ \(BH \bot A'C,{\rm{ (H}} \in {\rm{A'C)}}\) (1).

Mặt khác: \(BD \bot AC{\rm{ (gt)}}\)

\(AA' \bot (ABCD) \Rightarrow AA' \bot BD{\rm{ }}\)

\(\Rightarrow BD \bot (ACA') \Rightarrow BD \bot A'C\) (2)

Từ (1) (2) suy ra:

\(A'C \bot (BDH) \Rightarrow A'C \bot DH\)

Do đó: \((\widehat {(BA'C),(DA'C)}) = (\widehat {HB,HD})\)

Xét tam giác BCA' ta có:

\(\frac{1}{{B{H^2}}} = \frac{1}{{B{C^2}}} + \frac{1}{{BA{'^2}}} = \frac{3}{{2{a^2}}} \Rightarrow BH = a.\sqrt {\frac{2}{3}} \Rightarrow DH = a.\sqrt {\frac{2}{3}}\)

Ta có: 

\(\cos \widehat {BHD} = \frac{{2B{H^2} - B{D^2}}}{{2B{H^2}}} = - \frac{1}{2} \Rightarrow \widehat {BHD} = {120^0}>90^0\)

Vậy: \(\widehat {((BA'C),(DA'C))} =180^0-120^0= {60^0}.\) 

Ví dụ 2:

Cho hình lăng trụ đứng ABC.A’B’C’, đáy ABC là tam giác cân AB=AC=a, \(\widehat {BAC} = {120^0}\), BB’=a, I là trung điểm của CC’. Tính cosin của góc giữa hai mp(ABC) và (AB’I).

Hướng dẫn giải:

Ta thấy tam giác ABC là hình chiếu vuông góc của tam giác AB’I lên mặt phẳng (ABC).

Gọi φ là góc giữa hai mặt phẳng (ABC) và (AB’I).

Theo công thức hình chiếu ta có: \(\cos \varphi = \frac{{{S_{ABC}}}}{{{S_{AB'I}}}}\).

Ta có:

\({S_{ABC}} = \frac{1}{2}.AB.AC.\sin {120^0} = \frac{{{a^2}\sqrt 3 }}{4}\)

\(AI = \sqrt {A{C^2} + C{I^2}} = \frac{{a\sqrt 5 }}{2}\)

\(AB' = \sqrt {A{B^2} + BB{'^2}} = a\sqrt 2\)

\(IB' = \sqrt {B'C{'^2} + IC{'^2}} = \frac{{a\sqrt {13} }}{2}.\)

Suy ra: Tam giác AB’I vuông tại A nên \({S_{AB'I}} = \frac{1}{2}.AB'.AI = \frac{{{a^2}\sqrt {10} }}{4}\).

Vậy: \(\cos \varphi = \frac{{{S_{ABC}}}}{{{S_{AB'I}}}} = \sqrt {\frac{3}{{10}}} .\)

Ví dụ 3: 

Cho hình chóp S.ABCD đáy ABCD là hình thoi, SA=SC. Chứng minh rằng: \((SBD) \bot (ABCD).\) 

Hướng dẫn giải:

Hình chóp S.ABCD

Ta có: \(AC \bot BD\) (1) (giả thiết).

Mặt khác, \(SO \bot AC\) (2) (SAC là tam giác cân tại A và O là trung điểm của AC nên SO là đường cao của tam giác).

Từ (1) và (2) suy ra: \(AC \bot (SBD)\) mà \(AC \subset (ABCD)\) nên \((SBD) \bot (ABCD).\)

Ví dụ 4:

Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật, AB=a, \(AD = a\sqrt 2\), \(SA \bot (ABCD)\). Gọi M là trung điểm của AD, I là giao điểm của AC và BM. Chứng minh rằng: \((SAC) \bot (SMB).\)

Lời giải:

Ta có: \(SA \bot (ABCD) \Rightarrow SA \bot BM{\rm{ (1)}}\).

Xét tam giác vuông ABM có: \(\tan \widehat {AMB} = \frac{{AB}}{{AM}} = \sqrt 2\).

Xét tam giác vuông ACD có: \(\tan \widehat {CAD} = \frac{{CD}}{{AD}} = \frac{1}{{\sqrt 2 }}\).

Ta có: 

\(\begin{array}{l} \cot \widehat {AIM} = \cot ({180^0} - (\widehat {AMB} + \widehat {CAD}))\\ = \cot (\widehat {AMB} + \widehat {CAD}) = 0 \Rightarrow \widehat {AIM} = {90^0} \end{array}\)

Hay \(BM \bot AC{\rm{ (2)}}\).

+ Từ (1) và (2) suy ra: \(BM \bot (SAC)\) mà \(BM \subset (SAC)\) nên \((SAC) \bot (SMB).\)

 

Lời kết

Trong phạm vi bài học chỉ có thể giới thiệu đến các em những nội dung cơ bản nhất về góc giữa hai mặt phẳng khái niệm, các định lý, hệ quả liên quan đến hai mặt phẳng vuông góc. Các em cần ghi nhớ khái niệm, cách xác định góc giữa hai mặt phẳng, định lý, hệ quả, phương pháp chứng minh hai mặt phẳng vuông góc. Để cũng cố bài học, xin mời các em cũng làm bài kiểm tra Trắc nghiệm Hai mặt phẳng vuông góc với những câu hỏi củng cố bám sát nội dung bài học. Bên cạnh đó các em có thể nêu thắc mắc của mình thông qua phần Hỏi - đáp cộng đồng Toán HỌC247 sẽ sớm giải đáp cho các em.

Bên cạnh đó các em có thể xem phần hướng dẫn Giải bài tập SGK sẽ giúp các em nắm được các phương pháp giải bài tập từ SGK Hình học 11 Cơ bản và Nâng cao.

-- Mod Toán Học 11 HỌC247