Phuong phap tinh khoang cach trong khong gian

Các kỹ năng xác định hình chiếu của đỉnh lên mặt phẳng đáy của hình chóp: + Nếu tồn tại một mặt phẳng đi qua đỉnh vuông góc với mặt đáy thì hình chiếu của đỉnh lên mp đáy trùng với hình

MỘT PHƯƠNG PHÁP TÍNH KHOẢNG CÁCH TRONG

HÌNH HỌC KHÔNG GIAN

I LÝ THUYẾT:

1 Cách xác định khoảng cách từ 1 điểm đến mặt phẳng:

Trong không gian cho mp(P) và một điểm M không nằm trên mp(P), để xác định khoảng cách từ điểm M đến mp(P) ta làm như sau:

Bước 1: Dựng mp(Q) đi qua M và vuông góc với mp(P)

Bước 2: Xác định giao tuyến d của mp(P) và mp(Q)

Bước 3: Kẻ MH vuông góc với d tại H  MH  mp(P)  d(M;(P)) = MH

2 Bổ đề (*): Cho mp(P) và 2 điểm A, H không nằm trên (P) Gọi I = AH  (P) khi

đó ta có: d(A;(P))

d(H;(P)) =

AI

HI

3 Cách xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng chéo nhau

+) Cho hai đường thẳng a và b chéo nhau

TH1: a và b vuông góc với nhau

+) Chọn điểm M nằm trên a (thuận lợi nhất) kẻ MH  b  mp(a,H)  b

Kẻ HK  a  d(a,b) = HK

TH2: a và b bất kỳ

+) Dựng mp() chứa b và song song với a, d(a,b) = d(a,()) = d(M,()), trong đó M

là 1 điểm bất kỳ nằm trên đường thẳng a

4 Các kỹ năng xác định hình chiếu của đỉnh lên mặt phẳng đáy của hình chóp:

+) Nếu tồn tại một mặt phẳng đi qua đỉnh vuông góc với mặt đáy thì hình chiếu của đỉnh lên mp đáy trùng với hình chiếu của đỉnh lên giao tuyến của mp đó và đáy +) Hình chóp có các cạnh bên bằng nhau hoặc các cạnh bên tạo với mặt đáy một góc bằng nhau thì hình chiếu của đỉnh lên mp đáy trùng với tâm đường tròn ngoại tiếp đa giác đáy

+) Hình chóp có các mặt bên tạo với mặt đáy một góc bằng nhau thì hình chiếu của đỉnh trùng với tâm đường tròn nội tiếp đa giác đáy

II BÀI TẬP:

1 Khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng:

Bài tập 1: Cho hình chóp đều S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông tâm O cạnh

bằng a, SA=a Tính khoảng cách từ điểm O đến mp(SAB)

Giải:

\S.ABCD là hình chóp đều nên SO  (ABCD) Qua O kẻ OI vuông góc với AB

B

C

D

A

S

H

I

O

 (SOI)  (SAB) Kẻ OH  SI  OH  (SAB)  d(O;(SAB)) = OH

Ta có: AC = BD = a 2, OI = a

2 Xét SAO ta có: SO2

= SA2 - AO2 = a

2

2 Xét SOI: 1

OH2 =

1

SO2 +

1

OI2 =

6

a2  OH = a 6 Vậy: d(O; (SAB)) = a 6

Bình luận:

1 Nếu thay giả thiết bài toán thành tính khoảng cách từ điểm C đến (SAB) ta sẻ làm như thế nào:

- Ta vẫn tính khoảng cách từ điểm O đến mp(SAB) rồi sử dụng bổ đề (*) để suy ra d(C;(SAB))

Ta có: d(C;(SAB))

d(O;(SAB)) =

CA

OA = 2  d(C;(SAB)) = 2a 6

2 Nếu thay giả thiết bài toán thành tính khoảng cách từ điểm trung điểm K của SC đến (SAB) ta sẻ làm như thế nào:

- Ta vẫn tính khoảng cách từ điểm O đến mp(SAB) rồi sử dụng bổ đề (*) để suy ra d(K;(SAB))

Ta có OK∥ (SAB)  d(K;(SAB)) = d(O;(SAB)) = a 6

Nhận xét: Qua bài tập trên ta có thể rút ra cách tính khoảng cách từ 1 điểm bất kì đến

mặt bên của khối chóp như sau:

- Tính khoảng cách từ hình chiếu của đỉnh lên mặt đáy đến mp đó rồi sử dụng bổ đề (*) để suy ra khoảng cách cần tính

Bài tập 2( ĐH_D_2011) Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại

B, AB=3a, BC=4a; mp(SBC) vuông góc với mp(ABC) Biết SB=2a 3,

 SBC=300 Tính khoảng cách từ điểm B đến mp(SAC) theo a

Giải:

Kẻ SH  BC  SH  (ABC) Xét SHB ta có: SH = SB.sin300

= a 3;

BH = SB.cos300 = 3a

Qua H kẻ HI  AC tại I

 (SHI)  (SAC) Kẻ HK  SI tại K

 HK  (SAC)

 d(H;(SAC)) = HK

Ta có CHI∽ CAB(g-g)

 HI = AB.CH

AC =

3a

5 1

HK2 =

1

HI2 +

1

SH2 =

28 9a2  HK = 3a

2 7

 d(H;(SAC)) = 3a

2 7

Mà d(B;(SAC))

d(H;(SAC)) =

BC

HC = 4  d(B;(SAC)) = 6a 7

7

K

I

B

C

H

A

S

Bài tập 3(ĐH_D_2007) Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình thang, 

ABC=

 BAD

= 900, BA=CB=a, AD=2a Cạnh SA vuông góc với mặt đáy, SA=a 2 Gọi H là hình chiếu của A lên SB Tính khoảng cách từ điểm H đến mp(SCD) theo a

Giải:

Gọi I là trung điểm của AD ta có CI = 1

2AD

 ACD vuông tại C hay AC  CD

 (SAC)  (SCD)

Kẻ AI vuông góc SC tại I

 AI  (SCD)  d(A;(SCD)) = AI

Ta có: AC2 = AB2 + BC2 = 2a2

1

AI2 =

1

AC2 +

1

SA2 =

1

a2  AI = a  d(A;(SCD)) = a

Nối AB cắt CD tại K  B là trung điểm của AK

 d(B;(SCD))

d(A;(SCD)) =

BK

CK =

1

2  d(B;(SCD)) = a

2 d(H;(SCD))

d(B;(SCD)) =

SH

SB =

SA2

SB2 =

2a2 2a2+a2 =

2

3  d(H;(SCD)) = 2

3d(B;(SCD)) =

a

3

Nhận xét: Nếu sử dụng cách giải trên mà ta gặp bài toán tính khoảng cách từ 1 điểm

đến mặt phẳng mà mặt phẳng đó chứa đường cao của khối chóp ta sẻ làm như thế

nào?

Bài tập 4(ĐH_B_2011) Cho hình lăng trụ ABCD.A’B’C’D’ có đáy ABCD là hình

chử nhật AB=a, AD=a 3 Hình chiếu vuông góc của A’ lên mp(ABCD) trùng với giao điểm của AC và BD Góc giữa mp(ADD’A’) và (ABCD) bằng 600 Tính khoảng cách từ điểm B’ đến mp(A’BD)

Giải:

Gọi O là giao điểm của AC và BD  A’O  (ABCD)

H

C

C

D

A

B

C’

A’

B’

D’

O

S

D

B

A

Gọi E là trung điểm của AD  OE  AD, A’E  AD

  A’EO là góc giữa mp(ADD’A’) và mp(ABCD)   A’EO = 600

 A’O = OE.tan  A’EO = AB

2 .tan60

0

= a 3

2

Ta có B’C ∥ (A’BD)

 d(B’;(A’BD)) = d(C;(A’BD))

Kẻ CH  BD tại H  CH  (A’BD)  d(C;(A’BD)) = CH

Mà 1

CH2 =

1

CB2 +

1

CD2 =

4 3a2  CH = a 3

2 Vậy d(B’;(A’BD)) = a 3

2

Bình luận: Qua bài tập ta có thể rút ra cách tính khoảng cách từ điểm I nào đó đến

mp() chứa đường cao của khối chóp như sau:

Bước 1: Xác định giao tuyến d của mp() và mặt đáy

Bước 2: Chọn 1 điểm M nằm trên mặt đáy thuận lợi nhất, rồi tính khoảng cách từ

điểm M đến mp(), bằng cách kẻ MH  d tại M  MH  ()  d(M;()) = MH Bước 3: Sử dụng bổ đề (*) để suy ra d(I;())

d(M;())

Bài tập 5( Đề thi thử ĐH_Trường THPT Cao Thắng_2012) Cho hình chóp S.ABC

có đáy ABC là tam giác vuông cân tại đỉnh A, AB=a 2 Gọi I là trung điểm của BC, hình chiếu vuông góc H của S lên (ABC) thỏa mãn 

IA = -2

IH , góc giữa SC và mp(ABC) bằng 600

Tính khoảng cách từ trung điểm E của SB đến mp(SAH)

Giải:

BC2 = AB2 + AC2 = 4a2  BC = 2a  BI = a

Kẻ BK vuông góc với AH tại K  BK  (SAH)

 d(B;(SAH)) = BK

Mà 1

BK2 =

1

BA2 +

1

BI2 =

3 2a2

 d(B;(SAH)) = BK = a 2

3 d(E;(SAH))

d(B;(SAH)) =

ES

BS =

1

2

 d(E;(SAH)) = a 2

2 3

2 Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau

Bài tập 1(ĐH_A_2010) Cho khối chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh

a Gọi M và N lần lượt là trung điểm của các cạnh AB và AD; H là giao điểm của CN

S

K

B

A

C

I H

và DM Biết SH vuông góc với mp(ABCD) và SH=a 3 Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng DM và SC

Giải:

Ta có: CDN = DAM  CN  DM; mặt khác SH  DM  DM  (SCN)

 DM  SC

Kẻ HK  SC  HK  DM

 d(HK, DM) = HK

Ta có SCMD = SABCD - SADM - SCBM = a

2

2 Mặt khác SCDM = 1

2CH.DM

 CH = 2SCDM

DM =

2a

5 1

HK2 =

1

CH2 +

1

SH2 =

19 12a2

 HK = 2a 3

19  d(DM, SC) = 2a 3

19

Bài tập 2(ĐH_A_2011) Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông cân

tại B, AB=BC=2a; hai mặt phẳng (SAB) và (SAC) cùng vuông góc với mặt đáy Gọi

M là trung điểm AB, mặt phẳng qua SM song song BC cắt AC tại N Biết góc giữa hai mặt phẳng (SBC) và (ABC) bằng 600 Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng

AB và SN theo a

Giải:

(SAB) và (SAC) cùng vuông góc với (ABC)

 SA  (ABC)

  SBA là góc giữa mp(SBC) và (ABC)

  SBA = 600  SA = AB.tan600

= 2a 3 Mặt phẳng qua SM ∥ BC cắt AC tại N

 MN ∥ BC và N là trung điểm AC

MN = BC

2 = a

Kẻ đường thẳng  đi qua N song song AB, gọi () là mp chứa SN và 

 AB ∥ ()  d(AB, SN) = d(A;())

Kẻ AD   tại D  (SAD)  (), Kẻ AH  SD  AH  ()  d(A,()) = AH

Ta có AD = MN = a  1

AH2 =

1

SA2 +

1

AD2 =

13 12a2  AH = 2a 3

13 Vậy: d(AB,SN) = 2a 3

13

Bài tập 3(ĐH_A_2012) Cho hình chóp S.ABC là tam giác đều cạnh a Hình chiếu

vuông góc của S lên (ABC) là H nằm trên AB sao cho AH=2HB Góc giữa SC và (ABC) bằng 600 Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng SA và BC theo a

K

H

N

M

B

C

D

A

S

C

B

H

M

A

S

Giải:

Ta có 

SCH là góc giữa SC và mp(ABC)  SCH = 60 0

Xét ACH ta có: CH2

= AH2 + AC2 - 2AH.AC.cos600 = 7a

2

9  CH = a 7

3  SH = CH.tan600

= a 21

3 Qua A kẻ đường thẳng  song song với BC, gọi () là mp chứa SA và 

 BC ∥ ()  d(SA,BC) = d(B,()) = 3

2d(H,())

Kẻ HI   tại I  (SHI)  (), kẻ HK  SI tại K  HK  ()  d(H,()) = HK

Ta có HI = AH.sin600 = a 3

3  1

HK2 =

1

SH2 +

1

HI2 =

24 7a2  HK = a 7

2 6  d(H,()) = a 7

2 6  d(B,()) = 3a 7

4 6 Vậy: d(SA,BC) = 3a 7

4 6

Bài 4(ĐH_D_2008) Cho hình lăng trụ đứng ABC.A’B’C’ có đáy ABC là tam giác

vuông, AB=BC=a, cạnh bên A’A=a 2 Gọi M là trung điểm của BC Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng B’C và AM theo a

Giải:

Ta có: AM2 = AB2 + BM2 = 5a

2

4  AM = a 5

2 Qua C kẻ đường thẳng  song song với AM, gọi () là mặt phẳng chứa B’C và   AM∥ ()  d(AM,B’C) = d(M,()) = 1

2d(B,())

Kẻ BI   tại I  (B’BI)  (), kẻ BK  B’I tại K  BK  ()  d(B,()) = BK

Ta có: sin 

BCI = sin 

BMA = AB

AM =

2

5  BI = BC.sinBCI =  2a

5

C’

B’

A’

C

B

H

I

K

S

A

 1

HK2 =

1 B’B2 + 1

BI2 =

7 4a2  HK = 2a

7

 d(B,()) = 2a

7  d(M,()) = a

7 Vậy: d(B’C,AM) = a

7

BÀI TẬP Bài tập 1 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và D,

AB=AD=a, CD=2a, SA=a 3, hai mp (SCD) và (SAD) cùng vuông góc với mặt đáy Gọi G là trọng tâm BCD Tính thể tích khối chóp S.ABCD và khoảng cách từ điểm

G đến mp(SBC) theo a

Bài tập 2(Đề thi thử ĐH-2012-THPT chuyên Lê Quý Đôn-Quảng Trị)

Cho hình chóp S.ABCcos đáy ABC là tam giác vuông cân tại C, cạnh huyền bằng 3a Gọi G là trọng tâm tam giác ABC, SG vuông góc mp(ABC), SB= a 14

2 Tính thể tích khối chóp S.ABC và khoảng cách từ điểm B đến mp(SAC) theo a

Bài tập 3(Đề thi thử ĐH-2012-THPT Gia Lộc-Hải Dương)

Cho hình lăng trụ ABC.A’B’C’ có AB=2a, BC=a 2, =300

và thể tích lăng trụ bằng a3 Tính khoảng cách từ điểm A đến mp(A’BC) theo a

Bài tập 4(Đề thi thử ĐH-2012-THPT chuyên Hạ Long)

Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông, tam giác SAB đều và nằm trên mặt phẳng vuông góc với mặt đáy Tính thể tích khối chóp S.ABCD biết khoảng

cách giữa hai đường thẳng SC và AB bằng a

Bài tập 5(Đề thi thử ĐH-2012-THPT Nguyễn Đức Cảnh-Thái Bình)

Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và B với AB=BC=a AD=2a, các mặt phẳng (SAC) và (SBD) cùng vuông góc với mặt đáy Biết góc tạo bởi (SAB) và (ABCD) bằng 600 Tính thể tích khối chóp và khoảng cách giữa hai

đường thẳng SB và CD theo a

Bài tập 6(Đề thi thử ĐH-2013-THPT Ngô Gia Tự-Bắc Ninh)

Cho hình chóp S.ABCD có SA=a và SA vuông góc với mặt đáy Biết ABCD là thang vuông tại A và B, AB=a, BC=2a và SC vuông góc với BD Tính thể tích khối chóp

S.ABCD và khoảng cách giữa hai đường thẳng AB và SM theo a với M là trung điểm của BC

M

K

I

C

B

A