Công thức tính góc trong không gian
🖨 In phiếu tự học Vì sao nên in?
Một cột ăng-ten cao 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 , móc neo là . 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.
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 trên mặt đất là , với . Tam giác vuông tại có , nên .
Cách 2: vectơ. Lấy và vectơ pháp tuyến của mặt đất . Ta có Góc giữa giá của và đường vuông góc với mặt đất là . Góc cần tìm bù với góc đó tới : . Vì , ta có thể tính thẳng .
Vì sao đúng? Góc giữa và là góc giữa và hình chiếu của nó trên . Góc này cộng với góc giữa và đường vuông góc với bằng . Góc giữa hai đường thẳng và giá của có cosin bằng , và cosin của chính là .
Góc giữa hai đường thẳng và giữa hai mặt phẳng
Góc giữa hai đường thẳng luôn từ đến , 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 , rồi dùng các công thức trên.
Hình chóp có một cạnh bên vuông góc với đáy cũng đặt được vào hệ trục rất gọn.
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: .
- Đường thẳng và mặt phẳng: (sin, vì góc với pháp tuyến bằng ).
- Hai mặt phẳng: .
- Mọi góc trên đều thuộc đoạn , nhờ dấu giá trị tuyệt đối.
- Mặt đất, mặt đáy: với .
- Hình lập phương, hình chóp: chọn gốc ở một đỉnh hoặc tâm đáy để nhiều toạ độ bằng .
Luyện tập
Mỗi bài có phần kiến thức và gợi ý các bước. Hãy tự làm trước, rồi mới bấm xem lời giải.
Tính góc giữa , , và (làm tròn đến hàng phần mười của độ).
Kiến thức: .
Gợi ý các bước:
- Đọc , .
- Tính tích vô hướng và hai độ dài.
Xem lời giải
Đáp số. Khoảng .
Tính góc giữa đường thẳng , , và mặt phẳng .
Kiến thức: .
Gợi ý các bước:
- , .
- Tính .
Xem lời giải
Đáp số. .
Tính góc giữa hai mặt phẳng và .
Kiến thức: .
Gợi ý các bước:
- , .
- Tính côsin.
Xem lời giải
Đáp số. .
Tính góc giữa đường thẳng và mặt phẳng (làm tròn đến hàng phần mười của độ).
Kiến thức: có vectơ pháp tuyến .
Gợi ý các bước:
- , .
- Tính .
Xem lời giải
Đáp số. Khoảng .
Cho hình lập phương cạnh , đặt , , , . Mỗi khẳng định sau đúng hay sai?
a) Góc giữa hai đường thẳng và bằng .
b) Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng bằng .
c) Góc giữa mặt phẳng và mặt phẳng thoả mãn .
d) Góc giữa hai đường thẳng và bằng .
Kiến thức: ba công thức góc; (phương trình theo đoạn chắn).
Gợi ý các bước:
- Viết toạ độ các vectơ , , , , .
- Áp dụng đúng công thức cho từng loại góc.
Xem lời giải
a) Đúng. , , tích vô hướng bằng .
b) Sai. , , nên .
c) Đúng. và : .
d) Sai. , , tích vô hướng bằng , nên góc bằng .
Đáp số. a) Đúng; b) Sai; c) Đúng; d) Sai.
Một đường dốc cho xe lăn là mặt phẳng nghiêng: cứ đi m theo phương ngang thì lên cao m. Đặt mặt dốc là (đơn vị: mét). Tính góc giữa mặt dốc và mặt đất (đơn vị: độ, làm tròn đến hàng phần mười).
Kiến thức: góc giữa hai mặt phẳng; mặt đất là .
Gợi ý các bước:
- , .
- Tính côsin rồi góc.
Xem lời giải
(Kiểm tra bằng tam giác vuông: .)
Đáp số. .
Cho hình chóp có đáy là hình chữ nhật, , , vuông góc với đáy và . Tính góc giữa và mặt đáy, góc giữa và mặt phẳng (làm tròn đến hàng phần mười của độ).
Kiến thức: đặt ở gốc; là , là .
Gợi ý các bước:
- , , , .
- ; dùng với và .
Xem lời giải
.
Đáp số. và khoảng .
(Ôn lại Phương trình mặt phẳng.) Mặt phẳng đi qua , , tạo với mặt phẳng một góc bao nhiêu độ (làm tròn đến hàng phần mười)?
Kiến thức: phương trình theo đoạn chắn; góc giữa hai mặt phẳng.
Gợi ý các bước:
- .
- Dùng và .
Xem lời giải
Đáp số. Khoảng .
(Ôn lại Phương trình đường thẳng trong không gian.) Cho , và . Tính góc giữa đường thẳng và (làm tròn đến hàng phần mười của độ).
Kiến thức: đường thẳng có vectơ chỉ phương ; .
Gợi ý các bước:
- .
- Tính với .
Xem lời giải
Đáp số. Khoảng .
Cho hình lập phương cạnh . Tính góc giữa đường chéo và mặt phẳng (làm tròn đến hàng phần mười của độ).
Kiến thức: đặt hệ trục như bài 5; .
Gợi ý các bước:
- , , nên .
- Tính với .
Xem lời giải
Kiểm tra. nhỏ nên gần như nằm sát mặt phẳng, đúng vì thuộc và chỉ cách mặt phẳng .
Đáp số. Khoảng .
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
, nên . Phương án B quên dấu giá trị tuyệt đối, phương án C dùng nhầm sin.
, nên . Phương án A dùng côsin thay cho sin.
. Phương án A dùng công thức của đường thẳng với mặt phẳng, C quên căn ở mẫu, D quên giá trị tuyệt đối.
Với cạnh và hệ trục như trong bài: , , . (Hình học: , và tam giác đều vì ba cạnh đều là đường chéo của các mặt.) Phương án D là góc giữa hai vectơ ngược hướng.
Phần II. Trắc nghiệm đúng sai
| a) Góc giữa và bằng . | ||
| b) vuông góc với mặt phẳng . | ||
| c) Góc giữa và khoảng . | ||
| d) vuông góc với mặt phẳng . |
a) Đúng: , nên . b) Đúng: . c) Sai: , góc khoảng ; là kết quả khi dùng nhầm sin. d) Sai: không cùng phương với ; thực ra song song với .
Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn
, nên .
, . , nên .
Xem đáp án và giải thích
- Phần I, câu 1: A. , nên . Phương án B quên dấu giá trị tuyệt đối, phương án C dùng nhầm sin.
- Phần I, câu 2: C. , nên . Phương án A dùng côsin thay cho sin.
- Phần I, câu 3: B. . Phương án A dùng công thức của đường thẳng với mặt phẳng, C quên căn ở mẫu, D quên giá trị tuyệt đối.
- Phần I, câu 4: C. Với cạnh và hệ trục như trong bài: , , . (Hình học: , và tam giác đều vì ba cạnh đều là đường chéo của các mặt.) Phương án D là góc giữa hai vectơ ngược hướng.
- Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Sai. a) Đúng: , nên . b) Đúng: . c) Sai: , góc khoảng ; là kết quả khi dùng nhầm sin. d) Sai: không cùng phương với ; thực ra song song với .
- Phần III, câu 1: 74,2. , nên .
- Phần III, câu 2: 38,7. , . , nên .