BÀI 5. GÓC GIỮA ĐƯỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG. GÓC PHẲNG NHỊ DIỆN
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
I. Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
Cho hình chóp $S.ABC$ có đáy là tam giác đều cạnh $a$, cạnh bên $SA$ vuông góc với mặt phẳng đáy $(ABC)$. Trên cạnh $SB$ lấy điểm $M$ sao cho $SM = \dfrac{1}{2}SB$. Tính góc giữa đường thẳng $MC$ và mặt phẳng $(ABC)$.
Lời giải: Vì $SA \perp (ABC)$ nên $SA$ là đường cao của chóp. Mặt phẳng $(SBC)$ chứa $MC$ cắt mặt phẳng đáy theo giao tuyến $BC$. Góc giữa $MC$ và $(ABC)$ bằng góc giữa $MC$ và hình chiếu $M'C$ của nó trên đáy, tức là $\angle CMM'$ với $M'M \perp (ABC)$.
Sử dụng tam giác vuông $CMM'$, ta tính được $\tan\alpha = \dfrac{M'M}{CM'} = \dfrac{SM' \sin 60^\circ}{CM'} \Rightarrow \alpha = \arctan\!\left(\dfrac{SM' \sin 60^\circ}{CM'}\right)$.
Cho hình hộp chữ nhật $ABCD.A'B'C'D'$ có $AA'=a$, $AB=b$, $AD=c$. Tính góc giữa đường thẳng $A'C$ và mặt phẳng $(ABCD)$.
Lời giải: Hình chiếu của $A'C$ xuống mặt phẳng đáy $(ABCD)$ là đường chéo $AC$ của hình chữ nhật. Khi đó:
$$\sin\alpha = \dfrac{AA'}{A'C} = \dfrac{a}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}.$$ Vậy $\alpha = \arcsin\!\left(\dfrac{a}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\right)$.
Cho hình chóp tứ giác đều $S.ABCD$ có cạnh đáy bằng $a$, cạnh bên $SB = SA = SD = SC = b$. Tính góc giữa cạnh bên $SB$ và mặt phẳng đáy $(ABCD)$.
Lời giải: Trong hình chóp đều, đường cao $SO$ vuông góc với đáy, với $O$ là tâm hình vuông. Ta có tam giác vuông $SOB$ với $OB = \dfrac{a\sqrt{2}}{2}$. Do đó:
$$\cos\alpha = \dfrac{OB}{SB} = \dfrac{a\sqrt{2}}{2b} \Rightarrow \alpha = \arccos\!\left(\dfrac{a\sqrt{2}}{2b}\right).$$
II. Góc giữa hai mặt phẳng
Cho hình chóp $S.ABC$ có đáy là tam giác đều cạnh $a$, $SA$ vuông góc với đáy và $SA = h$. Tính góc giữa hai mặt phẳng $(SBC)$ và $(ABC)$.
Lời giải: Hai mặt phẳng $(SBC)$ và $(ABC)$ cắt nhau theo giao tuyến $BC$. Góc giữa hai mặt phẳng là góc giữa hai đường vuông góc với $BC$ trong mỗi mặt. Trong tam giác $SAB$, ta có $\tan\alpha = \dfrac{SA}{h_{BC}}$ với $h_{BC}$ là đường cao từ $A$ xuống $BC$. Suy ra $\tan\alpha = \dfrac{h}{\dfrac{a\sqrt{3}}{2}} = \dfrac{2h}{a\sqrt{3}} \Rightarrow \alpha = \arctan\!\left(\dfrac{2h}{a\sqrt{3}}\right)$.
Cho hình hộp chữ nhật $ABCD.A'B'C'D'$ có $AA' = a$, $AB = b$, $AD = c$. Tính góc giữa hai mặt phẳng $(ABCD)$ và $(ACC'A')$.
Lời giải: Hai mặt phẳng $(ABCD)$ và $(ACC'A')$ cắt nhau theo giao tuyến $AC$. Trong mặt phẳng $(ABCD)$, đường vuông góc với $AC$ là $BD$; trong mặt phẳng $(ACC'A')$, đường vuông góc với $AC$ là $A'A$. Do đó:
$$\tan\alpha = \dfrac{AA'}{BD/2} = \dfrac{2a}{\sqrt{b^2+c^2}} \Rightarrow \alpha = \arctan\!\left(\dfrac{2a}{\sqrt{b^2+c^2}}\right).$$
Cho hình chóp tứ giác đều $S.ABCD$ có cạnh đáy $a$, cạnh bên $b$. Tính góc giữa hai mặt phẳng $(SAB)$ và $(SAD)$.
Lời giải: Hai mặt phẳng $(SAB)$ và $(SAD)$ cắt nhau theo giao tuyến $SA$. Trong mặt phẳng đáy, góc giữa $AB$ và $AD$ là $90^\circ$. Gọi $SO$ là đường cao, ta có $\cos\alpha = \dfrac{OB}{AB} = \dfrac{1}{\sqrt{2}}$, nên $\alpha = 45^\circ$.
III. Góc phẳng nhị diện
Cho hình lập phương $ABCD.A'B'C'D'$ cạnh $a$. Tính góc phẳng nhị diện giữa hai mặt phẳng $(ABB'A')$ và $(ADD'A')$.
Lời giải: Hai mặt phẳng này vuông góc với nhau dọc theo giao tuyến $AA'$, nên góc phẳng nhị diện giữa chúng là $90^\circ$.
Cho hình chóp tứ giác đều $S.ABCD$ có cạnh đáy $a$, cạnh bên $b$. Tính góc phẳng nhị diện tại đỉnh $S$ giữa hai mặt phẳng $(SAB)$ và $(SAD)$.
Lời giải: Mặt phẳng trung trực qua $SA$ chia góc nhị diện tại $S$ làm đôi. Gọi $\alpha$ là góc phẳng nhị diện cần tìm, ta có trong tam giác đều $SAB$ và $SAD$: $$\cos\alpha = \dfrac{SO^2 - AO^2}{SO^2 + AO^2} = \dfrac{b^2 - (a^2/2)}{b^2 + (a^2/2)}.$$ Vậy $\alpha = \arccos\!\left(\dfrac{b^2 - a^2/2}{b^2 + a^2/2}\right).$
Cho hình hộp chữ nhật $ABCD.A'B'C'D'$ có $AA' = a$, $AB = b$, $AD = c$. Tính góc phẳng nhị diện tại cạnh $AB$ giữa hai mặt phẳng $(ABB'A')$ và $(ABCD)$.
Lời giải: Hai mặt phẳng $(ABB'A')$ và $(ABCD)$ cắt nhau theo giao tuyến $AB$. Trong hình hộp chữ nhật, góc giữa chúng chính là góc giữa các mặt vuông góc ứng với $AB$, do đó $\alpha = 90^\circ$.
