The tich khoi da dien, mat cau

THỂ TÍCH KHỐI ĐA DIỆNĐể tính thể tích của một khối đa diện lăng trụ và hình chóp ta thường thực hiện theo các cách sau Cách 1: Tính trực tiếp Sử dụng dụng các công thức:  Thể tích khối

Vấn đề 4 THỂ TÍCH KHỐI ĐA DIỆN

Để tính thể tích của một khối đa diện (lăng trụ và hình chóp) ta thường thực hiện theo các cách sau

Cách 1: Tính trực tiếp

Sử dụng dụng các công thức:

 Thể tích khối chóp: V 1h.Sd

3

 , trong đó h là chiều cao,Sd là diện tích đáy

Đặc biệt: Nếu hình chóp S.ABC có SA,SB,SC đôi một vuông góc thì:

 Nếu hình H được tách thành hai hình rời nhau H , H1 2 thì VH1 VHVH2

 Trên các đường thẳng SA, SB, SC của hình chóp S.ABC ta lấy lần lượt các điểm A',B',C' Ta có:

S.A' B'C' SA'.SB'.SC' S.ABC

Ví dụ 2.4.1 Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD Tính thể tích khối chóp biết

1) Cạnh bên bằng a 5 và mặt bên tạo với đáy một góc 600

2) Đường cao của hình chóp tạo với đáy một góc 450 và khoảng cách giữa hai đường thẳng AB và

1) Gọi M là trung điểm CD , ta có: CD (SMO)

Do đó góc SMO là góc giữa mặt bên với mặt đáy, nên SMO 60 0

Đặt AB 2x MO x,OC x 2 

Trong các tam giác vuông SOC,SOM ta có:

SO SC OC 5a 2x ; SO OM.tan60 x 3Nên ta có phương trình : 5a22x23x2 x a

Ví dụ 2.4.2 Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại A, AB a, AC a 3  ,

SA (ABC) Tính thể tích của khối chóp S.ABC trong các trường hợp sau

1) Mặt phẳng (SBC) tạo với đáy một góc 600

Ta có BC 2a, S ABC 1AB.AC a 32

2) Gọi H là hình chiếu của A lên SK, ta có AH (SBC)

Trong tam giác SAK, ta có: 12 12 12 12 12 12 42 SA a

Ví dụ 2.4.3 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và B , AB BC a, 

AD 4a Tam giác SAD là tam giác cân tại S và nằm trong mặt phẳng vuông góc với đáy Mặtphẳng (SCD) tạo với đáy một góc 600 Tính thể tích của khối chóp S.ABCD theo a

Lời giải.

K

H

D E

C H

K

Gọi H là trung điểm đoạn AD, ta có SH AD SH (ABCD)

Gọi K là hình chiếu của H lên CD, ta có CD (SKH) Suy ra SKH là góc giữa mặt phẳng (SCD) vớimặt đáy, do đó SKH 60 0

Gọi E là hình chiếu của C lên AD, suy ra ABCE là hình vuông cạnh a

Ta có: CD CE2ED2 a 10

Do CED ~ HKD nên ta có: HK KD KD.CE a 10 a a 10

2HK

Ví dụ 2.4.4 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a , SA vuông góc với đáy.

Mặt phẳng (SBD) tạo với đáy một góc 600 Gọi M, N lần lượt là hình chiếu của A lên SB, SD Mặtphẳng (AMN) cắt SC tại P Tính thể tích khối chóp S.AMPN

Lời giải.

O B

Gọi O là tâm của đáy, ta có BD (SOA) suy ra góc SOA là góc giữa hai mặt phẳng (SBD) và mặtđáy nên SOA 60 0

Trong tam vuông SAO ta có: SA AO.tan600 a 2 3 a 6

Tương tự: AN (SCD) AN SC , từ đó suy ra: SC (AMN)

Nên AP là đường cao của hình chóp S.AMPN

Suy ra: VS.AMPN 1AP.SAMPN

Ví dụ 2.4.5 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông tâm O , SA vuông góc với

ABCD, AB a,SA a 2  Gọi H,K lần lượt là hình chiếu vuông góc của A trên SB,SD Chứngminh: SCAHK và tính thể tích của khối chóp OHAK theo a

Lời giải Ta có :BCSABBC AH mà AH SB

   ( M là trung điểm của SC)

Vậy SAHK 1AG.HK 1 2a 2 2a 2 2a 2

S SH.SK 4 S 4x

S  SB.SD 9  9

2 BOH

O B

Lời giải.

Gọi I là hình chiếu vuông góc của S trên ABC, A',B',C' lần lượt là hình chiếu của I trên

BC,CA,AB Từ giả thiết suy ra   SA'I SB'I SC'I 60   0 Các tam giác vuông SIA',SIB',SIC' bằngnhau nên IA' IB' IC'  I là tâm đường tròn nội tiếp tam giác ABC

Gọi p là nửa chu vi tam giác ABC p 5a 6a 7a 9a

Suy ra VS.ABC 1SI.SABC 12 2a.6 6a 8 3a3

Ví dụ 2.4.7 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thoi cạnh a , SA SB SC a   Tính SDtheo a để khối chóp S.ABCD có thể tích lớn nhất

 là hình chiếu của A lên mặt phẳng (SBD) , mà

AS AB AD a   O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác SBD SBD vuông tại S Đặt

C

S

H

Ví dụ 2.4.8 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và D , tam giác

SADđều có cạnh bằng 2a , BC 3a Các mặt bên tạo với đáy các góc bằng nhau Tính thể tích của

khối chóp S.ABCD

Lời giải Gọi I là hình chiếu vuông góc của S trênABCD, tương tự như ví dụ trên ta cũng có I làtâm đường tròn nội tiếp hình thang ABCD

Vì tứ giác ABCD ngoại tiếp nên AB DC AD BC 5a   

Diện tích hình thang ABCD là S 1AB DC AD 1.5a.2a 5a2

Ví dụ 2.4.9 Cho hình chóp S.ABC có SA SB SC a   và ASB , BSC ,CSA  Tính thể tíchkhối chóp S.ABC theo a, , ,  .

Gọi H là hình chiếu của S lên mặt phẳng đáy (ABC) , ta có H là tâm đường tròn ngoại tiếp tam

giác ABC Nên AH AB.BC.CA, S S ABC

A C

B

S

H

Ví dụ 2.4.10 Cho lăng trụ đứng ABC.A'B'C' , có đáy ABC là tam giác vuông tại A Khoảng cách từ

AA' đến BCC'B'bằng a , khoảng cách từ C đến ABC'bằng b , góc giữa hai mặt

phẳngABC'vàABCbăng 

1) Tính thể tích khối lăng trụ ABC.A'B'C' theo a,b và 

2) Khi a b không đổi, hãy xác định  để thể tích khối lăng trụ ABC.A'B'C' nhỏ nhất

   Ta có ABACC'A'CAC'là góc giữa hai mặt

phẳngABC'vàABC CAC' 

b a sin

Ví dụ 2.4.10 Cho lăng trụ đứng ABCD.A'B'C'D' có đáy ABCD là hình thoi cạnh 2a Mặt phẳng

(B'AC) tạo với đáy một góc 300, khoảng cách từ B đến mặt phẳng (D'AC) bằng a

2 Tính thể tíchkhối tứ diện ACB'D'

Lời giải.

Gọi O là giao của hai đường chéo AC và BD, ta có AC (B'OB) B'OB 30 0

Gọi H là hình chiếu của B lên B’O, suy ra : BH d B,(B'AC)  d B,(D'AC) a

2

Do đó: BO BH0 a OC BC2 BO2 a 3,BB' BOtan 300 a 3

3sin 30

2 ABCD 1

B

A

D C

H

Ví dụ 2.4.11 Cho hình hộp ABCD.A’B’C’D’ có các mặt bên hợp và mặt A'BD với đáy góc 600,biết góc BAD 60 ,AB 2a,BD a 7 0   Tính VABCD.A’B’C’D’

Lời giải.

Gọi H là hình chiếu của A' trên (ABD) , J,K là hình chiếu của H trên AB,AD

Áp dụng định lí cosin cho ABD : BD2 AB2AD22AB.AD.cos BAD

Từ giả thiết suy ra hình chóp A'.ABD có các mặt bên hợp đáy góc 600

Nên H là cách đều các cạnh của ABD

TH 1 : Nếu H nằm trong ABD thì H là tâm đường tròn nội tiếp ABD

Góc giữa mặt bên ABB'A' và đáy bằng A'JH 60 0.

Gọi r là bán kính đường tròn nội tiếp ABD thì: r S ABD 3 3a A'H r.tan600 9a

B'

C'

D'

H A'

J

K

Ví dụ 2.4.12 Cho lăng trụ ABC.A'B'C' có thể tích bằng thể tích khối lập phương cạnh a Trên các

cạnh AA',BB' lấy M,N sao cho AM BN 1

AA' BB' 3  Gọi E,F lần lượt là giao điểm của CM với C'A'

và CN với C'B'

1) Mặt phẳng (CMN) chia khối lăng trụ thành hai phần Tính tỉ số thể tích hai phần đó

2) Tính thể tích khối chóp C'CEF

Lời giải Ta có VABC.A' B'C'a3.

A

C

B

Bài 2.4.13 Cho hình chóp đều S.ABCD có M,N,E lần lượt là trung điểm các cạnh AB, AD, SC

Tính tỷ số thể tích hai phần của hình chóp được cắt bởi mặt phẳng MNE

Lời giải.

O B

C

D

A S

Đường thẳng MN cắt BC và CD tại K và L; EL cắt SD tại P; EK cắt SB tại Q Mặt phẳng (MNE) cắthình chóp theo mặt cắt là ngũ giác NMPEQ

Lời giải.

K

O B

S



Vì (SAC) (ABC) nên gọi H là hình chiếu của S trên cạnh AC thì SH (ABC),

hình chiếu của SA trên mặt phẳng (ABCD) là AH nên  (SA,(ABCD)) SAH  

Ta có ASC 90 0 nên SA AC.cos   2.a.cos ,

Do đó SH SA.sin   2.a.cos sin 

Nên VS.ABC 1SH.SABC 2.a cos sin 3

Gọi K là trung điểm của SC thì OK là đường trung bình của tam giác SAC nên

OK / /SAOK SC. Mà BD (SAC) BD SC nên BK SC.

Ta có SC AC.sin   2.a.sin nên BK BC2 CK2 a 2 sin2

Lời giải.

M H

C' D'

A

B K

11

Bài tập

Bài 2.4.1 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thoi và AB BD a,SA a 3   ,

SA (ABCD) Gọi M là điểm trên cạnh SB sao choBM 2SB

3

 , giả sử N là điểm di động trên cạnh

AD Tìm vị trí của điểm N để BN DM và khi đó tính thể tích của khối tứ diện BDMN

Bài 2.4.2 Cho hai khối chóp S.ABCD và S'.ABCD có chung đáy ABCD là một hình vuông cạnh a

( S và S' nằm về cùng một phía của ABCD) Gọi H,K lần lượt là trung điểm của AD và BC ,biết SH S'K h  và SH,S'K cùng vuông góc vớiABCD Tính thể tích phần chung của hai khốichóp S.ABCD và S'.ABCD theo a và h

Bài 2.4.3 Cho hình chóp S.ABC có đáy là tam giác vuông tại A , AB a, AC 2a Mặt phẳng(SBC) vuông góc với đáy , hai mặt phẳng (SAB) và (SAC) cùng tạo với mặt phẳng đáy góc 600.Tính thể tích khối chóp S.ABC theo a

Bài 2.4.4 Cho hình chóp tam giác đều S.ABC Tính thể tích khối chóp S.ABC biết:

1) Cạnh đáy bằng a và mặt bên tạo với đáy một góc 600

2) Cạnh bên bằng 2a và SA BM , với M là trung điểm SC

Bài 2.4.5 Cho lăng trụ tam giác ABC.A B C1 1 1 có tất cả các cạnh bằng a , góc tạo bởi cạnh bên và mặtphẳng đáy bằng 300 Hình chiếu H của điểm A trên mặt phẳng A B C1 1 1 thuộc đoạn thẳng B C1 1.Tính thể tích khối lăng trụ ABC.A B C1 1 1 và khoảng cách giữa hai đường thẳng AA1và B C1 1theo a

Bài 2.4.6 Cho tứ diện gần đều ABCD (có các cặp cạnh đối bằng nhau) và mặt phẳng ( ) luôn songsong với AB và CD Tìm vị trí của ( ) để ( ) chia tứ diện thành hai phần có thể tích bằng nhau

Bài 2.4.7 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật AB a ,  AD 2a , cạnh SAvuông góc với đáy, cạnh SB tạo với mặt phẳng đáy một góc 600 Trên cạnh SA lấy điểm M saocho AM a 3

Bài 2.4.10 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a Hình chiếu của S trùng với

trọng tâm tam giác ABD Mặt bên (SAB) tạo với đáy một góc 600 Tính theo a thể tích của khốichóp S.ABCD

Bài 2.4.11 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông tâm O, AB a Gọi M, N lần lượt làtrung điểm của các cạnh OB, SD Mặt phẳng (NAC) tạo với mặt phẳng đáy một góc 600; hai mặtphẳng (SAM) và (SCM) cùng vuông góc với mặt phẳng đáy Tính thể tích của khối chóp S.ACN.

Bài 2.4.12 Cho hình chóp S.ABC có mặt phẳng (SAC) vuông góc với mặt phẳng (ABC),

SA AB a, AC 2a   và  ASC ABC 90   0 Tính thể tích khối chóp S.ABC và cosin của góc giữa haimặt phẳng (SAB), (SBC)

Bài 2.4.13 Cho lăng trụ ABC.A'B'C' có đáy ABC là tam giác cân AB AC a,BAC 120   0và AB'vuông góc với đáy (A'B'C') Gọi M, N lần lượt là trung điểm các cạnh CC' và A'B' , mặt phẳng(AA'C') tạo với mặt phẳng (ABC) một góc 300 Tính thể tích khối lăng trụ ABC.A'B'C' và cô sincủa góc giữa hai đường thẳng AM và C'N

Bài 2.4.14 Cho hình lăng trụ đều ABC.A’B’C’, M là trung điểm của cạnh CC’ Mặt phẳng (A’B’M)

tạo với mặt phẳng (ABC) một góc 600và tam giác A’MB’ có diện tích bằng a 32

13 Tính thể tích khốichóp AMA'B'

Bài 2.4.15 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông tâm O Hình chiếu của S lên mặt đáy

trùng với điểm H là trung điểm của AO Mặt phẳng (SAD) tạo với đáy một góc 600 và SC a Tính

S.ABCD

V và d AB,SC 

Bài 2.4.16 Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông cân tại B, AB BC 2a  ; hai mặtphẳng (SAB) và (SAC) cùng vuông góc với mặt phẳng (ABC) Gọi M là trung điểm của AB; mặtphẳng SM và song song với BC, cắt AC tại N Biết góc giữa hai mặt phẳng (SBC) và (ABC) bẳng 60o.Tính thể tích khối chóp S.BCNM và khoảng cách giữa hai đường thẳng AB và SN theo a

Bài 2.4.17 Cho lăng trụ ABCD.A B C D1 1 1 1 có đáy ABCD là hình chữ nhật AB a , AD a 3 Hìnhchiếu vuông góc của điểm A1 trên mặt phẳng (ABCD) trùng với giao điểm AC và BD Góc giữahai mặt phẳng ADD A1 1 và (ABCD) bằng 600 Tính thể tích khối lăng trụ đã cho và khoảng cách

từ điểm B1 đến mặt phẳngA BD1  theo a

Bài 2.4.18 Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại B , BA 3a , BC 4a ; mặtphẳng (SBC) vuông góc với mặt phẳng (ABC) Biết SB 2a 3 và SBC 30 0 Tính thể tích khốichóp S.ABC và khoảng cách từ điểm B đến mặt phẳng SAC theo a

Bài 2.4.19 Cho hình 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 và DM Biết SH vuông góc với mặtphẳng ABCD và SH a 3 Tính thể tích khối chóp S.CDNM và khoảng cách giữa hai đườngthẳng DM và SC theo a

Bài 2.4.20 Cho hình lăng trụ tam giác đều ABC.A'B'C' có AB a , góc giữa hai mặt phẳng (A'BC)

và (ABC) bằng 600 Gọi G là trọng tâm tam giác A'BC Tính thể tích khối lăng trụ đã cho và tínhbán kính mặt cầu ngoại tiếp tứ diện GABC theo a

Bài 2.4.21 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, cạnh bên SA a ; hìnhchiếu vuông góc của đỉnh S trên mặt phẳng ABCD là điểm H thuộc đoạn AC,AH AC

4

 Gọi

CM là đường cao của tam giác SAC Chứng minh M là trung điểm của SA và tính thể tích khối tứdiện SMBC theo a

Bài 2.4.22 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và D ;

AB AD 2a,CD a   ; góc giữa hai mặt phẳng SBC và (ABCD) bằng 600 Gọi I là trung điểmcủa cạnh AD Biết hai mặt phẳng  SBI và SCI cùng vuông góc với mặt phẳng (ABCD) , tính thểtích khối chóp S.ABCD theo a

Bài 2.4.23 Cho hình lăng trụ tam giác ABC.A'B'C' có BB' a , góc giữa đường thẳng BB' và mặtphẳng (ABC) bằng 600; tam giác ABC vuông tại C và BAC 60 0 Hình chiếu vuông góc của điểmB' lên mặt phẳng (ABC) trùng với trọng tâm của tam giác ABC Tính thể tích khối tứ diện

A'.ABC theo a

Bài 2.4.24 Cho hình lăng trụ đứng ABC.A'B'C' có đáy ABC là tam giác vuông tại B ,

AB a,AA' 2a,A'C 3a   Gọi M là trung điểm của đoạn thẳng A'C' , I là giao điểm của AM vàA'C Tính theo a thể tích khối tứ diện IABC và khoảng cách từ điểm A đến mặt phẳng  IBC

Bài 2.4.25 Cho lăng trụ ABC.A'B'C' có độ dài cạnh bên bằng 2a, đáy ABC là tam giác vuông tại

A , AB a,AC a 3  và hình chiếu vuông góc của đỉnh A' trên mặt phẳng ABC là trung điểmcủa cạnh BC Tính theo a thể tích khối chóp A'.ABC và tính cosin của góc giữa hai đường thẳngAA', B'C'

Bài 2.4.26 Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh 2a, SA a , SB a 3 và mặtphẳng (SAB) vuông góc với mặt phẳng đáy Gọi M,N lần lượt là trung điểm của các cạnh AB, BC Tính theo a thể tích của khối chóp S.BMDN và tính cosin của góc giữa hai đường thẳng SM, DN

Bài 2.4.27 Cho lăng trụ đứng ABC.A'B'C' có đáy ABC là tam giác vuông, AB BC a  , cạnh bênAA' a 2 Gọi M là trung điểm của cạnh BC Tính theo a thể tích của khối lăng trụ ABC.A'B'C'

và khoảng cách giữa hai đườn g thẳng AM, B'C

Bài 2.4.28 Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình vuông cạnh a , mặt bên SAD là tam giác đều và

nằm trong mặt phẳng vuông góc với đáy Gọi M,N,P lần lượt là trung điểm của các cạnh

SB,BC,CD Chứng minh AM vuông góc với BP và tính thể tích khối tứ diện CMNP

Bài 2.4.29 Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD có đáy là hình vuông cạnh a Gọi E là điểm đối

xứng của D qua trung điểm của SA , M là trung điểm của AE , N là trung điểm của BC Chứngminh MN vuông góc với BD và tính ( theoa) khoảng cách giữa hai đường thẳng MN và AC

Bài 2.4.30 Cho hình chóp S.ABCD đáy là hình thang,  ABC BAD 90  0, BA BC a,AD 2a   Cạnh bên SA vuông góc với đáy và SA a 2 Gọi H là hình chiếu của A lên SB Chứng minhtam giác SCD vuông và tính (theo a ) khoảng cách từ H đến mp(SCD)

Vấn đề 5 MẶT CẦU – MẶT TRỤ TRÒN XOAY

I Mặt cầu

1 Mặt cầu ngoại tiếp hình chóp:

Hình chóp S.A A A1 2 n nội tiếp mặt cầu khi và chỉ khi đáy là đa giác nội tiếp Khi đó để xác địnhtâm mặt cầu ngoại tiếp, ta làm như sau:

 Dựng đường thẳng  vuông góc với đáy tại tâm của đáy

 Dựng mặt phẳng trung trực (P) của một cạnh bên

 Giao điểm I   ( ) là tâm mặt cầu ngoại tiếp hình chóp

Hình lăng trụ có mặt cầu ngoại tiếp khi và chỉ khi đó là lăng trụ đứng và đáy là đa giác nội tiếp Khi

đó tâm mặt cầu ngoại tiếp là trung điểm đoạn nối tâm của hai đáy

3 Vị trí tương đối của một hình phẳng với mặt cầu.

Cho mặt cầu S(O,R) và một mặt phẳng (P) bất kì trong không gian Gọi H là hình chiếu của O lên(P)

 Nếu OH R thì (P) không cắt mặt cầu

 Nếu OH R thì (P) và (S) có một điểm chúng duy nhất là H

Khi đó ta nói: (P) tiếp xúc với mặt cầu và(P) gọi là mặt phẳng tiếp diện, H gọi là tiếp điểm

 Nếu OH R thì (P) cắt mặt cầu theo một đường tròn (C) có tâm H bán kínhr R2OH2 Nếu O nằm trên (P) thì (C) gọi là đường tròn lớn và có bán kính R

4 Vị trí tương đối của một đường thẳng với mặt cầu

Cho mặt cầu S(O,R) và một đường d bất kì trong không gian Gọi H là hình chiếu của O lên d

 Nếu OH R thì d và mặt cầu không có điểm chung

 Nếu OH R thì d và mặt cầu (S) có một điểm chung duy nhất là H Khi đó ta nói d tiếp xúcvới mặt cầu và d gọi là tiếp tuyến cảu mặt cầu, H gọi là tiếp điểm

 Nếu HO R thì d và mặt cầu có đúng hai điểm chung Khi đó ta nói d cắt mặt cầu tại hai điểmphân biệt

5 Diện tích mặt cầu và thể tích khối cầu.

 Diện tích xung quanh hình nón Sxq Rl

 Diện tích toàn phần của hình nón Stp SxqSd  R(l R)