Bài 79 trang 135 Sách bài tập Hình học lớp 12 Nâng cao

Bài làm:

Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, cạnh bên SA vuông góc với mặt phẳng (ABCD) và SA=2a. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của các cạnh SA, SD.

LG a

Tính khoảng cách từ đỉnh A tới mặt phẳng (BCM) và khoảng cách giữa hai đường thẳng SB, CN.

Lời giải chi tiết:

 Chọn hệ trục Oxyz sao cho gốc O là điểm A, tia Ox chứa AB, tia Oy chứa AD và tia Oz chứa SA (h. 104).

Khi đó

\(\eqalign{  & A = \left( {0;0;0} \right),B = \left( {a;0;0} \right),  \cr  & C = \left( {a;a;0} \right),D = \left( {0;a;0} \right),  \cr  & S = \left( {0;0;2a} \right),M\left( {0;0;a} \right),  \cr  & N = \left( {0;{a \over 2};a} \right). \cr} \)

\(\overrightarrow {BC}  = \left( {0;a;0} \right),\)

\(\overrightarrow {BM}  = \left( { - a;0;a} \right)\)

\( \Rightarrow \left[ {\overrightarrow {BC} ,\overrightarrow {BM} } \right] = \left( {\left| {\matrix{   a & 0  \cr   0 & a  \cr  } } \right|;\left| {\matrix{   0 & 0  \cr   a & { - a}  \cr  } } \right|;\left| {\matrix{   0 & a  \cr   { - a} & 0  \cr  } } \right|} \right)\)

                             \(= \left( {{a^2};0;{a^2}} \right).\)

Do đó, mặt phẳng (BCM) có vectơ pháp tuyến là (1; 0; 1), suy ra phương trình mặt phẳng (BCM) là:

\(1\left( {x - a} \right) + 1\left( {z - 0} \right) = 0 \Leftrightarrow x + z -a= 0.\)

Vậy khoảng cách từ A đến mp(BCM)

        \(d\left( {A,\left( {BCM} \right)} \right) = {{\left| { - a} \right|} \over {\sqrt {{1^2} + {1^2}} }} = {a \over {\sqrt 2 }}.\)

Ta lại có: \(\overrightarrow {BS}  = \left( { - a;0;2a} \right),\overrightarrow {CN}  = \left( { - a; - {a \over 2};a} \right),\)

\(\overrightarrow {SC}  = \left( {a;a; - 2a} \right).\)

Suy ra

\(\left[ {\overrightarrow {BS} ,\overrightarrow {CN} } \right] \)

\(= \left( {\left| {\matrix{   0 & {2a}  \cr   { - {a \over 2}} & a  \cr  } } \right|;\left| {\matrix{   {2a} & { - a}  \cr   a & { - a}  \cr  } } \right|;\left| {\matrix{   { - a} & 0  \cr   { - a} & { - {a \over 2}}  \cr  } } \right|} \right) \)

\(= \left( {{a^2}; - {a^2};{{{a^2}} \over 2}} \right)\)

\( \Rightarrow \left[ {\overrightarrow {BS} ,\overrightarrow {CN} } \right].\overrightarrow {SC}  = {a^3} - {a^3} - {a^3} =  - {a^3}.\)

Vậy khoảng cách giữa hai đường thẳng SB và CN là

\(d\left( {SB,CN} \right) = {{\left| {\left[ {\overrightarrow {BS} ,\overrightarrow {CN} } \right].\overrightarrow {CN} } \right|} \over {\left| {\left[ {\overrightarrow {BS} ,\overrightarrow {CN} } \right]} \right|}} \)

                       \(= {{\left| { - {a^3}} \right|} \over {\sqrt {{a^4} + {a^4} + {{{a^4}} \over 4}} }} = {{{a^3}} \over {{{3{a^2}} \over 2}}} = {{2a} \over 3}.\)

LG b

Tính cosin của góc giữa hai mặt phẳng (SCD) và (SBC).

Lời giải chi tiết:

Vì \(\left[ {\overrightarrow {SC} ,\overrightarrow {SD} } \right] = \left( {0;2{a^2};{a^2}} \right)\) nên mp(SCD) có vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow n  = \left( {0;2;1} \right).\)

Vì \(\left[ {\overrightarrow {SB} ,\overrightarrow {SC} } \right] = \left( {2{a^2};0;{a^2}} \right)\) nên mp(SBC) có vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow {n'}  = \left( {2;0;1} \right).\)

Gọi \(\varphi \) là góc giữa hai mặt phẳng (SCD) và (SBC), ta có

        \(\cos \varphi  = {{\left| {\overrightarrow n .\overrightarrow {n'} } \right|} \over {\left| {\overrightarrow n } \right|\left| {\overrightarrow {n'} } \right|}} = {{\left| { - 1} \right|} \over {\sqrt 5 .\sqrt 5 }} = {1 \over 5}.\)

LG c

Tính tỉ số thể tích giữa hai phần của hình chóp S.ABCD chia bởi mặt phẳng (BCM).

Lời giải chi tiết:

\({V_{S.ABCD}} = {1 \over 3}{a^2}.2a = {2 \over 3}{a^3}.\)

Vì M là trung điểm của SA suy ra \(d\left( {S,\left( {BCM} \right)} \right) = d\left( {A,\left( {BCM} \right)} \right) = {a \over {\sqrt 2 }}.\)

Hình chóp S.ABCD bị mp(BCM) chia làm 2 phần, trong đó có một phần là hình chóp S.BCNM. Hình chóp này có đường cao bằng \(d\left( {S,\left( {BCM} \right)} \right) = {a \over {\sqrt 2 }}\) và đáy là hình thang BCNM có diện tích bằng \({1 \over 2}\left( {a + {a \over 2}} \right)a\sqrt 2  = {{3\sqrt 2 {a^2}} \over 4}.\)

Suy ra: \({V_{S.BCNM}} = {1 \over 3}.{{3\sqrt 2 {a^2}} \over 4}.{a \over {\sqrt 2 }} = {{{a^3}} \over 4}.\)

Vậy tỉ số thể tích giữa hai phần của hình chóp S.ABCD chia bởi mp(BCM) là: \({{{{{a^3}} \over 4}} \over {{{2{a^3}} \over 3} - {{{a^3}} \over 4}}} = {3 \over 5}.\)

Xemloigiai.com