Lemonmath
English

Công thức tính góc trong không gian

Bài 5.3 · 22 phút đọc · Cập nhật

Một cột ăng-ten cao 1010 m được giữ bằng dây cáp nối từ đỉnh cột xuống một móc neo trên mặt đất. Đặt chân cột ở gốc toạ độ, đơn vị mét: đỉnh cột là T(0;0;10)T(0; 0; 10), móc neo là A(6;8;0)A(6; 8; 0). Dây cáp hợp với mặt đất một góc bao nhiêu độ?

Ở bài Biểu thức toạ độ của các phép toán vectơ ta đã tính góc giữa hai vectơ. Bài này dùng công thức đó, thêm dấu giá trị tuyệt đối, để tính góc giữa đường thẳng và mặt phẳng.

φOxyzTA
Cột ăng-ten và dây cáp

Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng

Khám phá: hai cách tính góc của dây cáp

Cách 1: tam giác vuông. Hình chiếu của dây TATA trên mặt đất là OAOA, với OA=36+64=10OA=\sqrt{36+64}=10. Tam giác TOATOA vuông tại OO có OT=OA=10OT=OA=10, nên OAT^=45∘\widehat{OAT}=45^\circ.

Cách 2: vectơ. Lấy u⃗=TA→=(6;8;−10)\vec{u}=\overrightarrow{TA}=(6; 8; -10) và vectơ pháp tuyến của mặt đất k⃗=(0;0;1)\vec{k}=(0; 0; 1). Ta có cos⁡(u⃗,k⃗)=−10200⋅1=−22,(u⃗,k⃗)=135∘.\cos(\vec{u}, \vec{k})=\frac{-10}{\sqrt{200}\cdot1}=-\frac{\sqrt2}{2},\qquad (\vec{u}, \vec{k})=135^\circ. Góc giữa giá của u⃗\vec{u} và đường vuông góc với mặt đất là 180∘−135∘=45∘180^\circ-135^\circ=45^\circ. Góc cần tìm bù với góc đó tới 90∘90^\circ: 90∘−45∘=45∘90^\circ-45^\circ=45^\circ. Vì sin⁡φ=cos⁡(90∘−φ)\sin\varphi=\cos(90^\circ-\varphi), ta có thể tính thẳng sin⁡φ=∣u⃗⋅k⃗∣∣u⃗∣∣k⃗∣=22\sin\varphi=\dfrac{|\vec{u}\cdot\vec{k}|}{|\vec{u}||\vec{k}|}=\dfrac{\sqrt2}{2}.

Vì sao đúng? Góc giữa Δ\Delta và (P)(P) là góc giữa Δ\Delta và hình chiếu của nó trên (P)(P). Góc này cộng với góc giữa Δ\Delta và đường vuông góc với (P)(P) bằng 90∘90^\circ. Góc giữa hai đường thẳng Δ\Delta và giá của n⃗\vec{n} có cosin bằng ∣u⃗⋅n⃗∣∣u⃗∣∣n⃗∣\dfrac{|\vec{u}\cdot\vec{n}|}{|\vec{u}||\vec{n}|}, và cosin của 90∘−φ90^\circ-\varphi chính là sin⁡φ\sin\varphi.

Góc giữa hai đường thẳng và giữa hai mặt phẳng

Góc giữa hai đường thẳng luôn từ 0∘0^\circ đến 90∘90^\circ, còn góc giữa hai vectơ chỉ phương có thể tù. Vì vậy ta lấy giá trị tuyệt đối của tích vô hướng. Góc giữa hai mặt phẳng bằng góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với chúng, nên ta dùng hai vectơ pháp tuyến.

Trong hình học không gian, ta đặt hình vào hệ trục sao cho nhiều toạ độ bằng 00, rồi dùng các công thức trên.

Hình chóp có một cạnh bên vuông góc với đáy cũng đặt được vào hệ trục rất gọn.

ABCDS
Hình chóp S.ABCDS.ABCD có SASA vuông góc với đáy

Với hai mặt phẳng, ta chỉ cần hai vectơ pháp tuyến.

Ví dụ cuối là một bài toán thực tế nhiều bước, nên ta làm theo bốn bước.

Thuật ngữ

Tóm tắt

  • Hai đường thẳng: cos⁡φ=∣u⃗1⋅u⃗2∣∣u⃗1∣∣u⃗2∣\cos\varphi=\dfrac{|\vec{u}_1\cdot\vec{u}_2|}{|\vec{u}_1||\vec{u}_2|}.
  • Đường thẳng và mặt phẳng: sin⁡φ=∣u⃗⋅n⃗∣∣u⃗∣∣n⃗∣\sin\varphi=\dfrac{|\vec{u}\cdot\vec{n}|}{|\vec{u}||\vec{n}|} (sin, vì góc với pháp tuyến bằng 90∘−φ90^\circ-\varphi).
  • Hai mặt phẳng: cos⁡φ=∣n⃗1⋅n⃗2∣∣n⃗1∣∣n⃗2∣\cos\varphi=\dfrac{|\vec{n}_1\cdot\vec{n}_2|}{|\vec{n}_1||\vec{n}_2|}.
  • Mọi góc trên đều thuộc đoạn [0∘;90∘][0^\circ; 90^\circ], nhờ dấu giá trị tuyệt đối.
  • Mặt đất, mặt đáy: (Oxy)(Oxy) với k⃗=(0;0;1)\vec{k}=(0; 0; 1).
  • Hình lập phương, hình chóp: chọn gốc ở một đỉnh hoặc tâm đáy để nhiều toạ độ bằng 00.

Luyện tập

Mỗi bài có phần kiến thức và gợi ý các bước. Hãy tự làm trước, rồi mới bấm xem lời giải.

Bài 1

Tính góc giữa d1:x=1+td_1: x=1+t, y=2ty=2t, z=−tz=-t và d2:x−12=y−1=z+31d_2: \dfrac{x-1}{2}=\dfrac{y}{-1}=\dfrac{z+3}{1} (làm tròn đến hàng phần mười của độ).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: cos⁡φ=∣u⃗1⋅u⃗2∣∣u⃗1∣∣u⃗2∣\cos\varphi=\dfrac{|\vec{u}_1\cdot\vec{u}_2|}{|\vec{u}_1||\vec{u}_2|}.

Gợi ý các bước:

  1. Đọc u⃗1=(1;2;−1)\vec{u}_1=(1; 2; -1), u⃗2=(2;−1;1)\vec{u}_2=(2; -1; 1).
  2. Tính tích vô hướng và hai độ dài.
Xem lời giải

u⃗1⋅u⃗2=2−2−1=−1,cos⁡φ=16⋅6=16,φ≈80,4∘.\vec{u}_1\cdot\vec{u}_2=2-2-1=-1,\qquad \cos\varphi=\frac{1}{\sqrt6\cdot\sqrt6}=\frac16,\qquad \varphi\approx80{,}4^\circ.

Đáp số. Khoảng 80,4∘80{,}4^\circ.

Bài 2

Tính góc giữa đường thẳng d:x=1+td: x=1+t, y=ty=t, z=2z=2 và mặt phẳng (P):x+z−5=0(P): x+z-5=0.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: sin⁡φ=∣u⃗⋅n⃗∣∣u⃗∣∣n⃗∣\sin\varphi=\dfrac{|\vec{u}\cdot\vec{n}|}{|\vec{u}||\vec{n}|}.

Gợi ý các bước:

  1. u⃗=(1;1;0)\vec{u}=(1; 1; 0), n⃗=(1;0;1)\vec{n}=(1; 0; 1).
  2. Tính sin⁡φ\sin\varphi.
Xem lời giải

sin⁡φ=∣1+0+0∣2⋅2=12,φ=30∘.\sin\varphi=\frac{|1+0+0|}{\sqrt2\cdot\sqrt2}=\frac12,\qquad\varphi=30^\circ.

Đáp số. 30∘30^\circ.

Bài 3

Tính góc giữa hai mặt phẳng (P):2x−y+z−1=0(P): 2x-y+z-1=0 và (Q):x+y+2z+3=0(Q): x+y+2z+3=0.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: cos⁡φ=∣n⃗1⋅n⃗2∣∣n⃗1∣∣n⃗2∣\cos\varphi=\dfrac{|\vec{n}_1\cdot\vec{n}_2|}{|\vec{n}_1||\vec{n}_2|}.

Gợi ý các bước:

  1. n⃗1=(2;−1;1)\vec{n}_1=(2; -1; 1), n⃗2=(1;1;2)\vec{n}_2=(1; 1; 2).
  2. Tính côsin.
Xem lời giải

cos⁡φ=∣2−1+2∣6⋅6=36=12,φ=60∘.\cos\varphi=\frac{|2-1+2|}{\sqrt6\cdot\sqrt6}=\frac36=\frac12,\qquad\varphi=60^\circ.

Đáp số. 60∘60^\circ.

Bài 4

Tính góc giữa đường thẳng Δ:x−12=y+1−2=z1\Delta: \dfrac{x-1}{2}=\dfrac{y+1}{-2}=\dfrac{z}{1} và mặt phẳng (Oxy)(Oxy) (làm tròn đến hàng phần mười của độ).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: (Oxy)(Oxy) có vectơ pháp tuyến k⃗=(0;0;1)\vec{k}=(0; 0; 1).

Gợi ý các bước:

  1. u⃗=(2;−2;1)\vec{u}=(2; -2; 1), ∣u⃗∣=3|\vec{u}|=3.
  2. Tính sin⁡φ\sin\varphi.
Xem lời giải

sin⁡φ=∣1∣3⋅1=13,φ≈19,5∘.\sin\varphi=\frac{|1|}{3\cdot1}=\frac13,\qquad\varphi\approx19{,}5^\circ.

Đáp số. Khoảng 19,5∘19{,}5^\circ.

Bài 5

Cho hình lập phương ABCD.A′B′C′D′ABCD.A'B'C'D' cạnh 11, đặt A(0;0;0)A(0; 0; 0), B(1;0;0)B(1; 0; 0), D(0;1;0)D(0; 1; 0), A′(0;0;1)A'(0; 0; 1). Mỗi khẳng định sau đúng hay sai?

a) Góc giữa hai đường thẳng ACAC và B′D′B'D' bằng 90∘90^\circ.

b) Góc giữa đường thẳng A′CA'C và mặt phẳng (ABCD)(ABCD) bằng 45∘45^\circ.

c) Góc φ\varphi giữa mặt phẳng (A′BD)(A'BD) và mặt phẳng (ABCD)(ABCD) thoả mãn cos⁡φ=13\cos\varphi=\dfrac{1}{\sqrt3}.

d) Góc giữa hai đường thẳng AC′AC' và BDBD bằng 60∘60^\circ.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: ba công thức góc; (A′BD):x+y+z−1=0(A'BD): x+y+z-1=0 (phương trình theo đoạn chắn).

Gợi ý các bước:

  1. Viết toạ độ các vectơ AC→\overrightarrow{AC}, B′D′→\overrightarrow{B'D'}, A′C→\overrightarrow{A'C}, AC′→\overrightarrow{AC'}, BD→\overrightarrow{BD}.
  2. Áp dụng đúng công thức cho từng loại góc.
Xem lời giải

a) Đúng. AC→=(1;1;0)\overrightarrow{AC}=(1; 1; 0), B′D′→=(−1;1;0)\overrightarrow{B'D'}=(-1; 1; 0), tích vô hướng bằng 00.

b) Sai. A′C→=(1;1;−1)\overrightarrow{A'C}=(1; 1; -1), sin⁡φ=13\sin\varphi=\dfrac{1}{\sqrt3}, nên φ≈35,3∘\varphi\approx35{,}3^\circ.

c) Đúng. n⃗=(1;1;1)\vec{n}=(1; 1; 1) và k⃗=(0;0;1)\vec{k}=(0; 0; 1): cos⁡φ=13\cos\varphi=\dfrac{1}{\sqrt3}.

d) Sai. AC′→=(1;1;1)\overrightarrow{AC'}=(1; 1; 1), BD→=(−1;1;0)\overrightarrow{BD}=(-1; 1; 0), tích vô hướng bằng 00, nên góc bằng 90∘90^\circ.

Đáp số. a) Đúng; b) Sai; c) Đúng; d) Sai.

Bài 6

Một đường dốc cho xe lăn là mặt phẳng nghiêng: cứ đi 1212 m theo phương ngang thì lên cao 11 m. Đặt mặt dốc là (P):x−12z=0(P): x-12z=0 (đơn vị: mét). Tính góc giữa mặt dốc và mặt đất (đơn vị: độ, làm tròn đến hàng phần mười).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: góc giữa hai mặt phẳng; mặt đất là (Oxy)(Oxy).

Gợi ý các bước:

  1. n⃗P=(1;0;−12)\vec{n}_P=(1; 0; -12), k⃗=(0;0;1)\vec{k}=(0; 0; 1).
  2. Tính côsin rồi góc.
Xem lời giải

cos⁡φ=∣−12∣1+144⋅1=12145≈0,9965,φ≈4,8∘.\cos\varphi=\frac{|-12|}{\sqrt{1+144}\cdot1}=\frac{12}{\sqrt{145}}\approx0{,}9965,\qquad\varphi\approx4{,}8^\circ. (Kiểm tra bằng tam giác vuông: tan⁡φ=112\tan\varphi=\dfrac{1}{12}.)

Đáp số. 4,84{,}8.

Bài 7

Cho hình chóp S.ABCDS.ABCD có đáy là hình chữ nhật, AB=3AB=3, AD=4AD=4, SASA vuông góc với đáy và SA=5SA=5. Tính góc giữa SCSC và mặt đáy, góc giữa SCSC và mặt phẳng (SAB)(SAB) (làm tròn đến hàng phần mười của độ).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: đặt AA ở gốc; (ABCD)(ABCD) là (Oxy)(Oxy), (SAB)(SAB) là (Ozx):y=0(Ozx): y=0.

Gợi ý các bước:

  1. B(3;0;0)B(3; 0; 0), D(0;4;0)D(0; 4; 0), S(0;0;5)S(0; 0; 5), C(3;4;0)C(3; 4; 0).
  2. SC→=(3;4;−5)\overrightarrow{SC}=(3; 4; -5); dùng sin⁡φ\sin\varphi với (0;0;1)(0; 0; 1) và (0;1;0)(0; 1; 0).
Xem lời giải

∣SC→∣=50=52|\overrightarrow{SC}|=\sqrt{50}=5\sqrt2. sin⁡φ1=552=22, φ1=45∘;sin⁡φ2=452≈0,566, φ2≈34,4∘.\sin\varphi_1=\frac{5}{5\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2},\ \varphi_1=45^\circ;\qquad \sin\varphi_2=\frac{4}{5\sqrt2}\approx0{,}566,\ \varphi_2\approx34{,}4^\circ.

Đáp số. 45∘45^\circ và khoảng 34,4∘34{,}4^\circ.

Bài 8

(Ôn lại Phương trình mặt phẳng.) Mặt phẳng đi qua A(2;0;0)A(2; 0; 0), B(0;1;0)B(0; 1; 0), C(0;0;2)C(0; 0; 2) tạo với mặt phẳng (Oxy)(Oxy) một góc bao nhiêu độ (làm tròn đến hàng phần mười)?

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: phương trình theo đoạn chắn; góc giữa hai mặt phẳng.

Gợi ý các bước:

  1. (ABC):x2+y+z2=1  ⟺  x+2y+z−2=0(ABC): \dfrac{x}{2}+y+\dfrac{z}{2}=1\iff x+2y+z-2=0.
  2. Dùng n⃗=(1;2;1)\vec{n}=(1; 2; 1) và k⃗=(0;0;1)\vec{k}=(0; 0; 1).
Xem lời giải

cos⁡φ=16≈0,408,φ≈65,9∘.\cos\varphi=\frac{1}{\sqrt6}\approx0{,}408,\qquad\varphi\approx65{,}9^\circ.

Đáp số. Khoảng 65,9∘65{,}9^\circ.

Bài 9

(Ôn lại Phương trình đường thẳng trong không gian.) Cho A(1;2;−1)A(1; 2; -1), B(3;−1;1)B(3; -1; 1) và (P):x−2y+2z+3=0(P): x-2y+2z+3=0. Tính góc giữa đường thẳng ABAB và (P)(P) (làm tròn đến hàng phần mười của độ).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: đường thẳng ABAB có vectơ chỉ phương AB→\overrightarrow{AB}; sin⁡φ=∣u⃗⋅n⃗∣∣u⃗∣∣n⃗∣\sin\varphi=\dfrac{|\vec{u}\cdot\vec{n}|}{|\vec{u}||\vec{n}|}.

Gợi ý các bước:

  1. AB→=(2;−3;2)\overrightarrow{AB}=(2; -3; 2).
  2. Tính sin⁡φ\sin\varphi với n⃗=(1;−2;2)\vec{n}=(1; -2; 2).
Xem lời giải

sin⁡φ=∣2+6+4∣17⋅3=417≈0,970,φ≈76,0∘.\sin\varphi=\frac{|2+6+4|}{\sqrt{17}\cdot3}=\frac{4}{\sqrt{17}}\approx0{,}970,\qquad\varphi\approx76{,}0^\circ.

Đáp số. Khoảng 76,0∘76{,}0^\circ.

Bài 10 Thử thách

Cho hình lập phương ABCD.A′B′C′D′ABCD.A'B'C'D' cạnh 11. Tính góc giữa đường chéo BD′BD' và mặt phẳng (A′BD)(A'BD) (làm tròn đến hàng phần mười của độ).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: đặt hệ trục như bài 5; (A′BD):x+y+z−1=0(A'BD): x+y+z-1=0.

Gợi ý các bước:

  1. B(1;0;0)B(1; 0; 0), D′(0;1;1)D'(0; 1; 1), nên BD′→=(−1;1;1)\overrightarrow{BD'}=(-1; 1; 1).
  2. Tính sin⁡φ\sin\varphi với n⃗=(1;1;1)\vec{n}=(1; 1; 1).
Xem lời giải

sin⁡φ=∣−1+1+1∣3⋅3=13,φ≈19,5∘.\sin\varphi=\frac{|-1+1+1|}{\sqrt3\cdot\sqrt3}=\frac13,\qquad\varphi\approx19{,}5^\circ. Kiểm tra. sin⁡φ\sin\varphi nhỏ nên BD′BD' gần như nằm sát mặt phẳng, đúng vì BB thuộc (A′BD)(A'BD) và D′D' chỉ cách mặt phẳng 13\dfrac{1}{\sqrt3}.

Đáp số. Khoảng 19,5∘19{,}5^\circ.

Kiểm tra mini

Kiểm tra mini

Chấm như đề thi tốt nghiệp THPT: Phần I mỗi câu 0,25 điểm; Phần II mỗi câu tối đa 1 điểm (đúng 1, 2, 3, 4 ý được 0,1; 0,25; 0,5; 1 điểm); Phần III mỗi câu 0,5 điểm.

Phần I. Trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn

Câu 1. Góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u⃗1=(1;0;1)\vec{u}_1=(1; 0; 1) và u⃗2=(0;−1;−1)\vec{u}_2=(0; -1; -1) bằng
Câu 2. Góc giữa đường thẳng có vectơ chỉ phương u⃗=(1;1;0)\vec{u}=(1; 1; 0) và mặt phẳng có vectơ pháp tuyến n⃗=(0;1;1)\vec{n}=(0; 1; 1) bằng
Câu 3. Gọi φ\varphi là góc giữa mặt phẳng (P):x−2y+2z=0(P): x-2y+2z=0 và mặt phẳng (Oxy)(Oxy). Khi đó
Câu 4. Cho hình lập phương ABCD.A′B′C′D′ABCD.A'B'C'D'. Góc giữa hai đường thẳng A′C′A'C' và B′CB'C bằng

Phần II. Trắc nghiệm đúng sai

Câu 1. Cho mặt phẳng (P):2x+y−2z+1=0(P): 2x+y-2z+1=0 và đường thẳng d:x=1+td: x=1+t, y=−2ty=-2t, z=3z=3.
a) Góc giữa dd và (P)(P) bằng 0∘0^\circ.
b) (P)(P) vuông góc với mặt phẳng (Q):x+z−4=0(Q): x+z-4=0.
c) Góc giữa (P)(P) và (Oxy)(Oxy) khoảng 41,8∘41{,}8^\circ.
d) dd vuông góc với mặt phẳng (Oxy)(Oxy).

Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn

Câu 1. Tính góc giữa hai mặt phẳng (P):x+2y+2z−1=0(P): x+2y+2z-1=0 và (Q):2x+y−z+5=0(Q): 2x+y-z+5=0, theo độ (làm tròn đến hàng phần mười).

Câu 2. Một drone quay phim ở D(0;0;40)D(0; 0; 40) hướng camera về mục tiêu T(30;40;0)T(30; 40; 0) trên mặt đất (đơn vị: mét). Tính góc giữa đường ngắm DTDT và mặt đất, theo độ (làm tròn đến hàng phần mười).

Xem đáp án và giải thích
  1. Phần I, câu 1: A. cos⁡φ=∣−1∣2⋅2=12\cos\varphi=\dfrac{|-1|}{\sqrt2\cdot\sqrt2}=\dfrac12, nên φ=60∘\varphi=60^\circ. Phương án B quên dấu giá trị tuyệt đối, phương án C dùng nhầm sin.
  2. Phần I, câu 2: C. sin⁡φ=12⋅2=12\sin\varphi=\dfrac{1}{\sqrt2\cdot\sqrt2}=\dfrac12, nên φ=30∘\varphi=30^\circ. Phương án A dùng côsin thay cho sin.
  3. Phần I, câu 3: B. cos⁡φ=∣2∣3⋅1=23\cos\varphi=\dfrac{|2|}{3\cdot1}=\dfrac23. Phương án A dùng công thức của đường thẳng với mặt phẳng, C quên căn ở mẫu, D quên giá trị tuyệt đối.
  4. Phần I, câu 4: C. Với cạnh 11 và hệ trục như trong bài: A′C′→=(1;1;0)\overrightarrow{A'C'}=(1; 1; 0), B′C→=(0;1;−1)\overrightarrow{B'C}=(0; 1; -1), cos⁡φ=12\cos\varphi=\dfrac{1}{2}. (Hình học: B′C∥A′DB'C\parallel A'D, và tam giác A′C′DA'C'D đều vì ba cạnh đều là đường chéo của các mặt.) Phương án D là góc giữa hai vectơ ngược hướng.
  5. Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Sai. a) Đúng: u⃗⋅n⃗=2−2+0=0\vec{u}\cdot\vec{n}=2-2+0=0, nên sin⁡φ=0\sin\varphi=0. b) Đúng: 2+0−2=02+0-2=0. c) Sai: cos⁡φ=23\cos\varphi=\dfrac23, góc khoảng 48,2∘48{,}2^\circ; 41,8∘41{,}8^\circ là kết quả khi dùng nhầm sin. d) Sai: u⃗=(1;−2;0)\vec{u}=(1; -2; 0) không cùng phương với (0;0;1)(0; 0; 1); thực ra dd song song với (Oxy)(Oxy).
  6. Phần III, câu 1: 74,2. cos⁡φ=∣2+2−2∣36=236≈0,272\cos\varphi=\dfrac{|2+2-2|}{3\sqrt6}=\dfrac{2}{3\sqrt6}\approx0{,}272, nên φ≈74,2∘\varphi\approx74{,}2^\circ.
  7. Phần III, câu 2: 38,7. DT→=(30;40;−40)\overrightarrow{DT}=(30; 40; -40), ∣DT→∣=4100|\overrightarrow{DT}|=\sqrt{4100}. sin⁡φ=404100≈0,625\sin\varphi=\dfrac{40}{\sqrt{4100}}\approx0{,}625, nên φ≈38,7∘\varphi\approx38{,}7^\circ.