Chuyên đề phương pháp toạ độ trong không gian - Phần II: Hình chóp docx

Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


1
1
CÁC BÀI TẬP HÌNH HỌC KHƠNG GIAN TỔNG HỢP
GIẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOẠ ĐỘ
PHẦN II: HÌNH CHĨP

Vũ Ngọc Vinh - THPT A Nghĩa Hưng - Nam Định


PHƯƠNG PHÁP CHUNG GIẢI TỐN
Để giải được các bài tốn hình khơng gian bằng phương pháp tọa độ ta cần phải chọn hệ trục tọa độ
thích hợp. Lập tọa độ các đỉnh, điểm liên quan dựa vào hệ trục tọa độ đã chọn và độ dài cạnh của hình.
Bài tốn đơn giản hay khơng một phần phụ thuộc vào cách chọn hệ trục toạ độ vng góc và đơn vị
trên các trục.
Bước 1: Chọn hệ trục toạ độ Oxyz thích hợp, chú ý đến vò trí của gốc O ( Đỉnh của góc vng, tâm
mặt cầu ….)
Bước 2: Dựa vào điều kiện của bài tốn để xác định toạ độ của điểm, phương trình của đường và mặt
cần thiết trong hệ trục toạ độ ấy.
(có thể xác đònh toạ độ tất cả các điểm hoặc một số điểm cần thiết)
Khi xác đònh tọa độ các điểm ta có thể dựa vào :
+)Ý nghóa hình học của tọa độ điểm (khi các điểm nằm trên các trục tọa độ, mặt phẳng tọa độ).
+) Dựa vào các quan hệ hình học như bằng nhau, vuông góc, song song ,cùng phương , thẳng hàng,
điểm chia đọan thẳng để tìm tọa độ
+) Xem điểm cần tìm là giao điểm của đường thẳng, mặt phẳng.
+) Dưạ vào các quan hệ về góc của đường thẳng, mặt phẳng.
Bước 3: Chuyển các tính chất hình học trong giả thiết hoặc kết luận của bài tốn sang tính chất đại số
và giải tích, đưa bài tốn về bài tốn đại số, giải tích. Sử dụng các kiến thức về toạ độ để giải quyết
bài toán .

Các dạng toán thường gặp:
- Độ dài đọan thẳng
- Khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng
- Khoảng cách từ điểm đến đường thẳng
- Khoảng cách giữa hai đường thẳng
- Góc giữa hai đường thẳng
- Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
- Góc giữa hai mặt phẳng
- Thể tích khối đa diện
- Diện tích thiết diện
- Chứng minh các quan hệ song song , vuông góc
- Bài toán cực trò, quỹ tích
Bổ sung kiến thức :
1) Nếu một tam giác có diện tích S thì hình chiếu của nó có diện tích S
'
bằng tích của S với cosin
của góc

giữa mặt phẳng của tam giác và mặt phẳng chiếu

cos.
'
SS 

2) Cho khối chóp S.ABC. Trên ba đường thẳng SA, SB, SC lấy ba điểm A
'
, B
'
, C
'

khác với S
Ta luôn có:
Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


2
2

SC
SC
SB
SB
SA
SA
V
V
ABCS
CBAS
'''
.
'''
.


Chú ý.
a) Hình chóp S.ABCD có SA vng góc với đáy và đáy là hình vng (hoặc hình chữ nhật). Ta chọn
hệ trục tọa độ như dạng tam diện vng.
b) Hình chóp S.ABCD có đáy là hình vng (hoặc hình thoi) tâm O đường cao SO vng góc với đáy.
Ta chọn hệ trục tọa độ tia OA, OB, OS lần lượt là Ox, Oy, Oz. Giả sử SO = h, OA = a, OB = b ta có
O(0; 0; 0), A(a; 0; 0), B(0; b; 0), C(–a; 0; 0), D(0;–b; 0), S(0; 0; h).

c) Hình chóp S.ABCD có đáy hình chữ nhật ABCD và AB = b.
SAD
đều cạnh a và vng góc với
đáy. Gọi H là trung điểm AD, trong (ABCD) ta vẽ tia Hy vng góc với AD. Chọn hệ trục tọa độ Hxyz
ta có:
H(0; 0; 0),
   
a a
A ; 0; 0 , B ; b; 0
2 2
   
a a a 3
, C ; b; 0 , D ; 0; 0 , S 0; 0; .
2 2 2
 


 




 


Phần II. 1 .
HÌNH CHĨP CĨ MỘT CẠNH BÊN VNG GĨC VỚI ĐÁY
( Hay hình chóp có hai mặt bên vng góc với đáy)
* Lưu ý: Đường cao của hình chóp là cạnh bên
vu«ng gãc

đáy.
Ví dụ 1.
Tø diƯn ABCD: AB, AC, AD ®«i mét vu«ng gãc víi nhau;
AB = 3; AC = AD= 4
TÝnh kho¶ng c¸ch tõ A tíi mỈt ph¼ng (BCD)
( KD: 2002)
Giảii
+ Chän hƯ trơc Oxyz sao cho A  O
D Ox; C  Oy và B  Oz
 A(0;0;0); B(0;0;3); C(0;4;0); D(4;0;0)
 Phương tr×nh ®o¹n ch¾n cđa (BCD) lµ:
1
4 4 3
  
x y z
 3x + 3y + 4z - 12 = 0
Kho¶ng c¸ch tõ A tíi mỈt ph¼ng (BCD) lµ:
d(A; mp’(BCD)) =
6 34
17


Ví dụ 2.
Cho tứ diện ABCD có AD vuông góc với mặt phẳng (ABC) và tam giác ABC vuông tại A,
AD = a, AC = b, AB = c.Tính diện tích S của tam giác BCD theo a, b, c và chứng minh rằng :

 
2S abc a b c  

(DB – ĐH. K. D – 2003)

Giải
Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ, ta có tọa độ các điểm là :A(0;0;0), B(c;0;0), C(0;b;0), D(0;0;a)

z
y
x
B
C
D
A

Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


3
3
     
 
    
 
 
   
 
     
     

   
 
2 2 2 2 2 2
BCD

2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2
2 2 2
BC c;b;0 ,BD c;0;a , BC,BD ab;ac;bc
1 1
S BC,BD a b a c b c đpcm
2 2
a b a c b c abc(a b c)
a b a c b c abc(a b c)
Theo BĐT Cauchy ta được :
a b +b c 2ab c
b c +c a


     


 

2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2
2bc a Cộng vế : a b a c b c abc(a b c)
c a a b 2ca b

Ví dụ 3.
Cho hình chóp S.ABCD là hình vuông cạnh a, SA  (ABCD),
SA a 2.

Mặt phẳng () qua A

vuông góc với SC cắt SB, SC, SD lần lượt là M, N, P. Chứng minh rằng tứ giác AMNP có hai
đường chéo vuông góc và tính diện tích của tứ giác.
Giải
Dựng hệ trục Ax, Ay, Az đôi một vuông góc,
với A(0; 0; 0), B(a; 0; 0), C(a; a; 0), D(0; a; 0),
S(0; 0; a 2)

1
SC (a; a; a 2) a(1;1; 2) a.u
    



2
SB (a; 0; a 2) a(1; 0; 2) a.u
    



3
SD (0; a; a 2) a(0;1; 2) a.u
    



Phương trình mp(qua A(0; 0; 0) với
pháp vectơ
1
n u (1;1; 2)
  

 
:
( ): x y 2z 0.   

Phương trình đường thẳng SC qua C(a; a; 0) với vectơ chỉ phương
1
u

:

x a t
(SC): y a t
z 2t
 


 


 


N SC N(a t; a t; 2t)
    

a a a a 2
N ( ) a t a t 2( 2t) 0 t N ; ;
2 2 2 2
 
            

 
 

Phương trình đường thẳng (SB): x = a + t; y = 0;
x 2t. 

Ta có:
a 2a a 2
M SB; M ( ) t M ; 0;
3 3 3
 
      
 
 
. Phương trình đường thẳng (SD):
x 0; y a t; z 2t.
    
Ta có:
a 2a a 2
P SD; P ( ) t P 0; ;
3 3 3
 
      
 
 

S
A
P
N

M
B
C
a
O
z
a 2

a
x
D
y
z
y
x
A
B
C
D
Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


4
4
a a a 2 2a 2a 2a 2
AN ; ; ; AN a; MP ; ; 0 ; MP .
2 2 2 3 3 3
 
 
    

 
 
 
 
 

Ta có:
2 2
a 2a a 2a a 2 a a
AN.MP . . .0 0 AN MP
2 3 2 3 2 3 3
 
         
 
 
 
(đpcm)
Diện tích tứ giác AMNP:
2
1 1 2a 2 a 2
S .AN.MP .a. .
2 2 3 3
  


Ví dụ 4.
Cho hình chóp S ABCD, SA  (ABCD), SA = a, SC  BD; đáy ABCD là hình thang vuông có
BC = 2a,
a
AD

2

và đường cao AB = a. M là điểm trên cạnh SA, đặt AM = x (
0 x a)
 
. Tính độ
dài đường cao DE của BMD. Đònh x để DE đạt giá trò nhỏ nhất.
Giải
Dựng hệ trục Axyz với Ax, Ay, Az đôi một vuông góc, A(0; 0; 0),
B(a; 0; 0), C(a; 2a; 0),
a
D 0; ; 0 , S(0; 0; a), M(0; 0; x)
2
 
 
 
.
BM ( a; 0; x).
 


Phương trình đường thẳng BM qua B với , vectơ chỉ phương:
x a at
(BM) : y 0
z xt
 









a
E BM E(a at; 0; xt) DE a at; ; xt
2
 
      
 
 

a
DE BM DE.BM 0 (a at)( a) .0 xt.x 0
2
        
 


    

2
2 2 2
2 2
a
(x a )t a t .
x a
Ta có:
2 2
2 2 2 2

ax a a x
DE ; ;
2
x a x a
 
 
 
 
 



       
   
         
2 4 2 4 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2
a x a a x a a x (x a a 4x
DE 1
4 4 2
(x a ) (x a ) (x a ) x a
a a
DE minDE x 0 x 0 M A.
2 2


Ví dụ 5.
Cho hình chóp SABCD, ABCD là hình vuông cạnh a, SA  (ABCD), SA = 2a. Mặt phẳng ()
qua BC hợp với AC một góc 30

o
, cắt SA, SD lần lượt tại M, N. Tính diện tích thiết diện BCNM.
Giải.
Dựng hệ trục tọa độ Axyz, với Ax, Ay, Az đôi một vuông góc,
A(0; 0; 0), B(a; 0; 0), C(a; a; 0), S(0; 0; 2a).
Đặt: AM = h; (0 < h < 2a)  M(0; 0; h)
M
E
A
D
a
C
y
z
S
a
B
x
Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


5
5
BM ( a; a;h), BC (0; a; 0),
   
 

2
[BM; BC] ( a.h; 0; a ) a(h; 0; a)
    

 


a.n 

, với
n (h; 0; a)



n (h; 0; a)
 

là pháp vectơ của mặt phẳng ().
Đường thẳng AC có vectơ chỉ phương
1
u (a; a; 0) a(1;1; 0) a.u ,  
 
với
1
u (1;1; 0)

.
() hợp với AC một góc 30
o
.
 
  
   
 


     
o
2 2
2 2
2 2 2 2 2
1.h 1.0 0.a 1
sin30
2
1 1 0. h 0 a
h 1
2
2 h a
h 2 h a 2h h a

h a
  
M là trung điểm SA.
Ta có:
MN ( ) (SAD)
MN// BC// AD.
BC// AD
  





BC (SAB) BC BM BCNM
   

là hình thang vuông tại B và M.

ABM vuông cân đỉnh A 
BM a 2.
MN là đường trung bình của

SAD
a
MN .
2
 
Diện
tích hình thang vuông BCNM:
2
1 3a 2
S .BM(MN BC)
2 4
  
.

Ví dụ 6.
Cho hình chóp O.ABC có OA = a, OB = b, OC = c đơi một vng góc. Điểm M cố định thuộc tam
giác ABC có khoảng cách lần lượt đến các mp(OBC), mp(OCA), mp(OAB) là 1, 2, 3. Tính a, b, c để
thể tích O.ABC nhỏ nhất.
Giải
Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ, ta có:
O(0; 0; 0), A(a; 0; 0), B(0; b; 0), C(0; 0; c).
d[M, (OAB)] = 3

z

M
= 3.

Tương tự

M(1; 2; 3).
pt(ABC):
x y z
1
a b c
  

1 2 3
M (ABC) 1
a b c
    
(1).
O.ABC
1
V abc
6

(2).
3
1 2 3 1 2 3
(1) 1 3 . .
a b c a b c
    

1
abc 27
6
 
.
C
y
2a
S
N
D
y
a
x
a
B
H
A
M

Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


6
6
(2)
min
1 2 3 1
V 27
a b c 3

     

3
6
9
a
b
c



 





Ví dụ 7.
Tứ diện S.ABC có cạnh SA vng góc với đáy và
ABC

vng tại C. Độ dài của các cạnh là SA = 4,
AC = 3, BC = 1. Gọi M là trung điểm của cạnh AB, H là điểm đối xứng của C qua M. Tính cosin góc
phẳng nhị diện [H, SB, C]
Giải.
Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ, ta có:
A(0; 0; 0), B(1; 3; 0), C(0; 3; 0), S(0; 0; 4) và H(1; 0;
0).
mp(P) qua H vng góc với SB tại I cắt đường thẳng SC
tại K, dễ thấy

[H, SB, C] =
 
IH, IK
 
(1).
SB ( 1; 3; 4)  

,
SC (0; 3; 4) 

suy ra:
ptts SB:
x 1 t
y 3 3t
z 4t


 




 









, SC:
x 0
y 3 3t
z 4t







 









và (P): x + 3y – 4z – 1 = 0.
   
5 15 3 51 32
I ; ; , K 0; ;
8 8 2 25 25


379 281

cos[H, SB, C]
12645

 

Ví dụ 8.
Cho hình chóp S. ABCD có SA  (ABCD) và SA =
a 6
, đáy ABCD là nửa lục giác đều nội tiếp
trong đường tròn đường kính AD = 2a.
Tính khoảng cách từ đường thẳng AD đến mặt phẳng (SBC).
Giải.
Dựng
/ /
BB AD, CC AD 
và I là trung điểm AD
/ / / /
a 3 a 3a
BB CC ; AB ; AC
2 2 2
    

Dựng hệ trục Axyz, với Ax, Ay, Az đôi một vuông
   
   
   
a 3 a a 3 3a
góc A(0; 0; 0), B ; ; 0 , C ; ; 0 ,
2 2 2 2
D(0; 2a; 0), S(0; 0; a 6).

a 3 a a 3 3a
SB ; ; a 6 , SC ; ; a 6
2 2 2 2
   
   
   
   
 

2 2 2
2
a 3 a 3 a 3
[SB; SC] a 6; 0; (2 2; 0; 1) .n,
2 2 2
 
  
 
 
 

với
n (2 2; 0; 1)



Phương trình mặt phẳng (SBC) qua S với pháp vectơ
n

:

(SBC): 2 2x z a 6 0
  

Vì:
AD// BC AD//(SBC) d(AD; (SBC)) d(SBC))  



z
S
a 6

x
A
B
B
/

C
C
/

I
D
2a
y

Chuyên đề phương pháp toạ độ trong không gian

7
7
Ta coù:
0 0 a 6 a 6
d(A; (SBC))
3
8 1
 
 

. Vaäy,
a 6
d(AD; (SBC)) .
3



BÀI TẬP
Bài 1( KA 2000)
Cho tứ diện OABC có OA, OB, OC vuông góc với từng đôi một có OA = a, OB = a
2
, OC = c.
Gọi D là đỉnh đối diện với O của hình chữ nhật AOBD và M là trung điểm của BC. (P) là mặt phẳng
qua A, M và cắt mặt phẳng (OCD) theo một đường thẳng vuông góc với AM.
1) Gọi E là giao điểm của (P) với OC, tính độ dài OE.
2) Tính khoảng cách từ C đến mp’(P).
3) Tính tỉ số thể của hai khối đa diện được tạo thành khi cắt khối chóp C.AOBD bởi mặt phẳng
(P).
Bài 2. ( ĐH 2001 )
Cho tam giác vuông cân ABC có AB = AC = a, M là trung điểm BC. Trên các nửa đường thẳng AA

1
,
MM
1
vuông góc với mặt phẳng (ABC) về cùng một phía, lấy tương ứng các điểm N, I sao cho 2MI =
NA = a. Gọi H là chân đường vuông góc hạ từ A xuống NB. Chứng minh rằng: AH

NI.
Bài 3.
Trên ba tia Ox, oy, oz vuông góc với từng đôi một lấy lần lượt các điểm A, B, C. Giả sử A cố định còn
B, C thay đổi sao cho OA = OB + OC. Hãy xác định vị trí của B, C sao cho thể tích của tứ diện OABC
là lớn nhất.
Bài 4.
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, SA =
3a
và vuông với đáy.
1) Tính khoảng cách từ A đến mặt phẳng (SBC).
2) Tính khoảng cách từ tâm O của hình vuông đến mặt phẳng (SBC).
3) Tính khoảng cách từ trọng tâm của tam giác SAB đến mặt phẳng (SAC).
Bài 5.
Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông cân với BA = BC = a, SA = a và vuông góc với
đáy. Gọi M, N theo thứ tự là trung điểm của AB và AC.
1) Tính góc giữa hai mặt phẳng (SAC) và mặt phẳng (SBC).
2) Tính góc giữa hai mặt phẳng (SEF) và mặt phẳng (SBC).
Bài 6.
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, SA = 2a và vuông góc với đáy.
1) Tính khoảng cách từ A đến mặt phẳng (SBC), từ C đến mặt phẳng (SBD).
2) MN lần lượt là trung điểm của AB, AD. CMR: MN // (SBD) và tính khoảng cách từ MN đến
mặt phẳng (SBD).
Bài 7.

Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật với cạnh AB = a, AD = 2a, SA = a và vuông
góc với đáy.
1) Tính khoảng cách từ A đến mặt phẳng (SBD) và khoảng cách từ trung điểm I của SC đến
mặt phẳng (SBD).
2) Gọi M là trung điểm của cạnh CD, tính khoảng cách từ A đến mặt phẳng (SBM).
Bài 8.( KA – 2000)
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và D với AB = AD = a, DC = 2a ,
SD = a và vuông góc với đáy.
1) Chứng minh rằng tam giác SBC vuông và tính diện tích của tam giác đó.
2) Tính khoảng cách từ A đến mặt phẳng (SBC).
Bài 9.
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, SA = 2a và vuông góc với đáy.
Chuyên đề phương pháp toạ độ trong không gian


8
8
1) Gọi M, N theo thứ tự thuộc BC, DC sao cho BM =
3
,
2 4
a a
DN 
. Chứng minh rằng hai mặt
phẳng (SAM) và mặt phẳng (SMN) vuông góc với nhau.
2) Gọi M, N theo thứ tự thuộc BC, DC sao cho BM = x, DN = y.
a. Tìm hệ thức liên hệ giữa x và y để hai hai mặt phẳng (SAM) và mặt phẳng (SMN) vuông góc với
nhau.
b. Chứng minh rằng điều kiện cần và đủ để nhị diện (M, SA, N) có số đo bằng 60
0

là :

2
3 ( )a x y xy a  
.
Bài 10.
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là nửa lục giác đều nội tiếp đường tròn đường kính AB = 2a,
SA =
6a
và vuông góc với đáy.
1) Tính góc giữa hai mặt phẳng (SAD) và mặt phẳng (SBC); Tính góc giữa hai mặt phẳng
(SCD) và mặt phẳng (SBC).
2) Tính khoảng cách từ A , D đến mặt phẳng (SBC) và từ đường thẳng AB đến mặt phẳng
(SCD).
3) Tính diện tích thiết diện của hình chóp S.ABCD tạo bởi mặt phẳng
( )

song song với mặt
phẳng (SAB) và cách mặt phẳng (SAB) một khoảng bằng
3
4
a
.
Bài 11.
Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại B với AB = a,
2SA a
và vuông góc với
đáy. Gọi M là trung điểm của AB. Tính độ dài đường vuông chung của SM và BC.
Bài 12.
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông đường cao AB = a, BC = 2a, SA = a

vuông góc với đáy, ngoài ra còn có SC vuông góc với BD.
1) Tính AD.
2) Gọi M là một điểm trên đoạn SA, đặt AM = x (0 ≤ x ≤ a). Tính độ dài đường cao DE của tam
giác BDM. Xác định x để DE có giá trị lớn nhất, nhỏ nhất.
Bài 13.
Cho hình chóp S.ABC có SA vuông góc với đáy mặt phẳng (ABC), ABC là tam giác vuông tại B,
AB = a, AC = 2a, mặt (SBC) hợp với mặt (ABC) góc 60
0
.
1) Tìm trên đoạn BC điểm M cách đều hai mặt phẳng (SAB) và (SAC). Tính khoảng cách đó.
2) Tìm trên đoạn SA điểm N cách đều hai mặt phẳng (SBC) và (SAC). Tính khoảng cách đó.
3) Tìm trên đoạn AB điểm P cách đều hai mặt phẳng (SAC) và (SBC). Tính khoảng cách đó.
Bài 14.
Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại C với AB = 2a, góc

BAC = 30
0
, SA = 2a
và vuông góc với đáy . Gọi M là một điểm di động trên cạnh AC, đặt AM = x (0 ≤ x ≤
3a
).
1) Tính khoảng cách từ S đến BM theo a và x.
2) Tìm giá trị x để khoảng cách trên có giá trị lớn nhất, nhỏ nhất.
Bài 15. ( ĐH- KA 2001)
Cho tứ diện SABC có SC = CA = AB =
2a
, SC vuông góc với mặt phẳng (ABC), tam giác ABC
vuông tại A, các điểm M thuộc SA và N thuộc BC sao cho AM = CN = t (0 < t < 2a).
1) Tính độ dài đoạn thẳng MN. Tìm giá trị của t để đoạn MN ngắn nhất.
2) Khi đoạn MN ngắn nhất, chứng minh MN là đường vuông góc chung của BC và SA.

Bài 16. Cho hình chóp S.ABCD có đáy hình vuông cạnh a, SA = a và vuông góc với đáy. Gọi E là
trung điểm CD.
1) Tính diện tích

SBE.
2) Tính khoảng cách từ đỉnh C đến (SBE).
3) (SBE) chia hình chóp thành hai phần, tính tỉ số thể tích hai phần đó.
Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


9
9
Bài 17. Cho hình chóp S.ABCD có đáy hình vng cạnh a. Cạnh bên SA vng góc với đáy và
SA a 3

.
1) Tính khoảng cách từ đỉnh C đến (SBD).
2) Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng SD và AC.
3) Tính góc phẳng nhị diện [B, SC, D].
Bài 18. Cho hình chóp S.ABCD có đáy hình vng cạnh 3cm. Cạnh bên SA vng góc với đáy và
SA 3 2

cm. Mp
( )

đi qua A và vng góc với SC cắt các cạnh SB, SC, SD lần lượt tại H, M, K.
1) Chứng minh AH vng góc với SB, AK vng góc với SD.
2) Chứng minh BD song song với
( )


.
3) Chứng minh HK đi qua trọng tâm G của
SAC
.
4) Tính thể tích hình khối ABCDKMH.
Bài 18. Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình chữ nhật, AB = a, AD = b. Cạnh bên SA vng góc với
đáy và SA = 2a. Gọi M, N là trung điểm cạnh SA, SD.
1) Tính khoảng cách từ A đến (BCN).
2) Tính khoảng cách giữa SB và CN.
3) Tính góc giữa hai mặt phẳng (SCD) và (SBC).
4) Tìm điều kiện của a và b để

3
cosCMN
3

. Trong trường hợp đó tính thể tích hình chóp
S.BCNM.
Bài 20. Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình chữ nhật với AB = a, AD = 2a. Đường cao SA = 2a.
Trên cạnh CD lấy điểm M, đặt MD = m
(0 m a)
 
.
1) Tìm vị trí điểm M để diện tích
SBM
lớn nhất, nhỏ nhất.
2) Cho
a
m
3


, gọi K là giao điểm của BM và AD. Tính góc phẳng nhị diện [A, SK, B].
Bài 21: Cho hình vuông ABCD cạnh bằng a tâm I . Trên hai tia Ax, By cùng chiều và cùng vuông
góc với mặt phẳng (ABCD) lần lượt lấy hai điểm M,N . Đặt AM=x, CN=y
1) Tính thể tích hình chóp ABCMN.
2) CMR điều kiện cần và đủ để góc MIN=90
0
là 2xy=a
2
.
Bài 22: Cho hình chóp S.ABC có đáy là tam giác vuông cân ABC với cạnh huyền AB = 4
2
.
Cạnh bên
SC (ABC)
và SC = 2 .Gọi M là trung điểm của AC, N là trung điểm AB
1) Tính góc của hai đường thẳng SM và CN
2) Tính độ dài đọan vuông góc chung của SM và CN.

Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


10
10
Phần II. 2 .
HÌNH CHĨP CĨ MỘT MẶT BÊN ( HOẶC MẶT CHÉO) VNG GĨC VỚI ĐÁY
* Lưu ý: Đường cao của hình chóp là cạnh đường cao của mặt bên hoặc mặt chéo đó.

Ví dụ .
Cho hình chóp SABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a. Mặt bên SAB là tam giác đều và
vuông góc với đáy. Gọi H là trung điểm của AB và M là điểm di động trên cạnh BC. Chứng minh
SH vuông góc (ABCD). Đặt x = CM với
0 x a (a 0)  
.
Tính khoảng cách từ S đến DM. Tìm x để khoảng cách này lớn nhất.
Giải.
Ta có:
(SAB) (ABCD), (SAB) (ABCD) AB
SH AB
  





SH (ABCD) 

Chọn hệ trục Hxyz, với Hx, Hy, Hz
a
đôi một vuông góc, H(0; 0; 0), A ; 0; 0 ,
2
a a a
B ; 0; 0 , C ; a; 0 , D ; a; 0 ,
2 2 2
a 3 a
S 0; 0; , M ; a x; 0 , 0 x a; a 0
2 2
 

 
 
     

     
     
 
 
   
   
   

x
2 2
a a 3
SD ; a; , DM (a; x; 0), DM a x

2 2
 
      
 
 
  

2
2
ax 3 a 3 ax
[SD; DM' ; ; a
2 2 2
 
   
 
 
 


2 2 4 2
2 2 2
3a x 2a a a
[SD; DM] (x 2a) 4x 4ax 7a
4 4 4 2
       
 

Khoảng cách từ S đến đường thẳng DM:

2 2

2 2
[SD; DM]
a 4x 4ax 7a
d(S; DM)
2
x a
DM
 
 

 

.
Xét hàm số:
2 2
2 2
4x 4ax 7a
f(x) ,
x a
 


với
0 x a (a 0)  


2 2
/
2 2 2
2a(2x 3ax 2a )

f (x)
(x a )
 




/ 2 2
a
f (x) 0 2x 3ax 2a 0 x hay x 2a.
2
        





z
S
a 3
2

A
D
C
B
a
2

M

x
H
y
Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


11
11
Bảng biến thiên:
x

a
2


0 a
2a

f
/
(x)
+
0
-
-
-
0
+
f(x)

7
7
2




Từ bảng biến thiên ta có:
maxf(x) 7

tại x = 0.
Vậy: Max
d(S; DM)
=
7
2
a
, đạt được khi x = 0.
BÀI TẬP
Bài 1. Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình vng cạnh a.
SAD
đều và vng góc với (ABCD).
Gọi H là trung điểm của AD.
1) Tính d(D, (SBC)), d(HC, SD).
2) Mặt phẳng
( )


qua H và vng góc với SC tại I. Chứng tỏ
( )

cắt các cạnh SB, SD.
3) Tính góc phẳng nhị diện [B, SC, D].
Bài 2: Cho hình thoi ABCD tâm O, cạnh bằng a và AC=a, Từ trung điểm H của cạnh AB dựng
SH

(ABCD) với SH=a
1) Tính khoảng cách từ O đến mặt phẳng (SCD).
2) Tính khoảng cách từ A đến mặt phẳng (SBC).
Bài 3. Cho hình vng ABCD cạnh bằng a. Từ trung điểm H của cạnh AB dựng SH vng góc với
mặt phẳng (ABCD) sao cho nhị diện cạnh AD của hình chóp S.ABCD có số đo bằng 60
0
.
1) Tính SH và khoảng cách từ H đến mặt phẳng (SCD).
2) Gọi K là trung điểm cạnh AD. Chứng minh CK

SD và tính số đo nhị diện (A, SD, C)
3) Tính góc giữa hai mặt phẳng (SBC) và mặt phẳng ( SCK).
Bài 4. Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình vng cạnh a. Mặt bên
SAD
là tam giác đều và vng
góc với (ABCD). Gọi H là trung điểm của AB.
1) Tính góc giữa DB và mặt phẳng (SAD).
2) Tính góc giữa DS và mặt phẳng (SCH).

Chuyờn phng phỏp to trong khụng gian


12
12
Phn II. 3 .
HèNH CHểP U
* Lu ý: Chõn ng cao ca hỡnh chúp l tõm ca a giỏc ỏy.
Vớ d 1. (H. K A 2002).
Cho hỡnh chúp tam giỏc u S.ABC cú di cnh ỏy l a. Gi M, N l trung im SB, SC. Tớnh theo
a din tớch

AMN, bit (AMN) vuụng gúc vi (SBC).
Gii
Gi O l hỡnh chiu ca S trờn (ABC), ta suy ra O
l trng tõm
ABC

. Gi I l trung im ca BC,

ta cú:
3 a 3
AI BC
2 2


a 3 a 3
OA , OI
3 6


Trong mp(ABC), ta v tia Oy vuụng gúc vi OA.
t SO = h, chn h trc ta nh hỡnh v ta
c:
O(0; 0; 0), S(0; 0; h),
a 3
A ; 0; 0
3









a 3
I ; 0; 0
6

,
a 3 a
B ; ; 0
6 2









,
a 3 a
C ; ; 0
6 2

,
a 3 a h
M ; ;
12 4 2










v
a 3 a h
N ; ;
12 4 2

.

2
(AMN)
ah 5a 3
n AM, AN ; 0;
4 24














,
2
(SBC)
a 3
n SB, SC ah; 0;
6

2 2
2
(AMN) (SBC)
AMN
5a 1 a 10
(AMN) (SBC) n .n 0 h S AM, AN
12 2 16







.
Vớ d 2.

Cho hình chóp SABC, các cạnh đều có độ dài bằng 1, O là tâm của ABC. I là trung điểm của SO.

1) Mặt phẳng (BIC) cắt SA tại M. Tìm tỉ lệ thể tích của tứ diện SBCM và tứ diện SABC.
2) H là chân đờng vuông góc hạ từ I xuống cạnh SB. CMR: IH đi qua trọng tâm G của SAC.
Gii.
Chọn hệ trục Oxyz sao cho O là gốc tọa độ
AOx, S Oz, BC//Oy
Tọa độ các điểm:
3
( ;0;0)
3
A
;
3 1
( ; ;0)
6 2
B
;
3 1
( ; ;0)
6 2
C
;
6
(0;0 )
3
S
;
6
(0;0; )

6
I

Ta cú:
(0;1;0)

BC
;
3 1 6
( ; ; )
6 2 6


IC
;
6 3
, ( ;0; )
6 6




BC IC


z
x
y

I

O
H
A
C
S
G
N

Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


13
13
 Phư¬ng tr×nh mỈt ph¼ng (IBC) lµ:
6 3 6
( 0) 0( 0) ( ) 0
6 6 6
      x y z

Hay:
6
2 0
6
   z
mà ta lại có:
3 6
( ;0; ) // (1;0; 2)
3 3
   
  

SA
SA SA u

Phư¬ng tr×nh ®ưêng th¼ng SA:
3
;
3
 x t
0; 2  y z t
.
+ Täa ®é ®iĨm M lµ nghiƯm cđa hƯ:
3
(1)
3
0 (2)
2 (3)
6
2 0(4)
6

 






 




   


x t
y
y t
x z
Thay (1) (2) (3) vµo (4) cã:
3 6 3 6
; 0; ( ;0; )
12 4 12 4
    x y z M
;
3 6
( ;0; ) 4
12 12
    
  
SM SA SM

 M n»m trªn ®o¹n SA vµ
1
4

SM
SA
( )
1
( ) 4

 
SBCM
SABC
V
V
.
2.
Do G lµ träng t©m cđa ASC

 SG ®i qua trung ®iĨm N cđa AC  GI  (SNB)  GI vµ SB ®ång
ph¼ng (1). Ta l¹i cã täa ®é:
G
3 1 6
( ; ; )
18 6 9
3 1 6
( ; ; )
18 6 18
   

GI
3 1 6
( ; ; )
18 6 18
   

GI
. 0 (2)   
 
GI SB GI SB

Tõ (1) vµ (2)
  GI SB H


Ví dụ 3.
Cho tứ diện đều SABC có cạnh là a. Dựng dường cao SH.
1) Chứng minh SA  BC. Tính thể tích và diện tích toàn phần của hình chóp SABC.
2) Gọi O là trung điểm của SH. Chứng minh rằng OA, OB, OC đôi một vuông góc với nhau.
Giải
1) Gọi M là trung điểm BC
a 3
AM BC, AM
2
  
. Gọi SH là đường cao của tứ diện đều,
nên SH là trục đường tròn (ABC)  H là tâm đường tròn (ABC)
2 a 3
AH AM .
3 3
  

Dựng hệ trục Axyz, với Ax, Ay, Az đôi một vuông góc,
     

     
   
 
a a 3 a a 3 a 3 a 6
A(0; 0; 0), B ; ; 0 , C ; ; 0 , S 0; ; ,

2 2 2 2 3 3
   
   
 
 
a 3 a 3
M 0; ; 0 , H 0; ; 0 .
2 3
a 3 a 6
BC ( a; 0; 0), SA 0; ;
3 3
 
  
 
 
 
. Ta có:
a 3 a 6
SA.BC 0.( a) .0 .0 0 SA BC
3 3
      
   
. Vậy,
SA BC.


Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


14

14
.
Thể tích hình chóp:
2 3
ABC
1 1 a 6 a 3 a 2
V .SH.S . .
3 3 3 4 12
  
.
Diện tích toàn phần:
2
2
tp ABC
a 3
S 4.S 4. a . 3.
4
  

2) O là trung điểm SH  tọa độ
a 3 a 6
O 0; ;
3 6
 
 
 

a 3 a 6 a a 3 a 6 a a 3 a 6
OA 0; ; , OB ; ; , OC ; ;
3 6 2 6 6 2 6 6

     
     
     
     
  
. Ta có:
2 2
a a 3 a 3 a 6 a 6 a a
OA.OB 0. . . 0 OA OB.
2 3 6 6 6 6 6
       
 

Chứng minh tương tự ta cũng có:
OB OC, OC OA. 

Vậy, OA, OB, OC đôi một vuông góc nhau.


BÀI TẬP
Bài 1.
Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD. Gọi I là trung điểm của đường cao SO với O là tâm của ABCD.
Biết khoảng cách từ I đến cạnh bên và mặt bên của hình chóp theo thứ tự bằng p, q, Tính thể tích của
hình chóp.
Bài 2.
Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vng tâm O cạnh a, SO vng góc với đáy. Gọi M, N
theo thứ tự là trung điểm của SA và BC. Biết rằng góc giữa MN và mặt phẳng (ABCD) bằng 60
0
.
1) Tính MN và SO.

z
x
y
I
O
B
A
C
S
M
z
x
y
I
O
B
A
C
S
z
x
y
I
O
B
A
C
S
z
x

y
I
O
B
A
C
S
z
x
y
I
O
B
A
C
S
z
x
y
I
O
B
A
C
S
z
x
y
I
O

B
A
C
S
z
x
y
I
O
B
A
C
S
z
x
y
I
O
B
A
C
S
Chuyên đề phương pháp toạ độ trong không gian


15
15
2) Tính góc giữa MN và mặt phẳng (SBD).
Bài 3.
Cho hình chóp tứ giác đều S.ABCD cạnh bằng 2a. Gọi d

1
, d
2
, d
3
, d
4
theo thứ tự là khoảng cách từ
điểm M bất kì thuộc đáy ABCD tới các mặt bên.
CMR: Tổng d
1
+ d
2
+ d
3
+ d
4
không phụ thuộc vào vị trí của điểm M.
Bài 4.
Cho hình chóp đều S.ABC, gọi O là trọng tâm tam giác ABC và I là trung điểm SO. Chứng minh rằng
IA, IB, Ic đôi một vuoâng goùc vôùi nhau.
Bài 5.
Cho hình chóp tam giác đều S.ABC có đường cao SO = 1 và đáy Abc có cạnh bằng
6a
. Gọi M, N
theo thứ tự là trung điểm AB, AC. Tính thể tích hình chóp S.AMN và bán kính mặt cầu ngoại tiếp hình
chóp.
Bài 6. Cho hình chóp tam giác đều S.ABC có độ dài cạnh đáy là a, đường cao SH = h. Mặt phẳng
( )


đi qua AB và vuông góc với SC.
1. Tìm điều kiện của h theo a để
( )

cắt cạnh SC tại K.
2. Tính diện tích
ABK
.
3. Tính h theo a để
( )

chia hình chóp thành hai phần có thể tích bằng nhau. Chứng tỏ rằng khi đó tâm
mặt cầu nội tiếp và ngoại tiếp trùng nhau.

Chun đề phương pháp toạ độ trong khơng gian


16
16
Phần II. 4 .
HÌNH CHĨP CĨ CÁC CẠNH BÊN BẰNG NHAU
( Hay hình chóp có các cạnh bên tạo với đáy các góc bằng nhau)
* Lưu ý: Chân đường cao của hình chóp trùng với tâm của đường tròn ngoại tiếp đa giác đáy.
Ví dụ .
Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều cạnh a, SA = SB = SC, khoảng cách từ S đến mặt
phẳng (ABC) bằng h. Tìm điều kiện của a và h để hai mặt phẳng (SAB) và (SAC) vuông góc với nhau.
BÀI TẬP
Cho tứ diện OABC (vuông tại O), biết rằng OA,OB,OC lần lượt hợp với mặt phẳng (ABC) các
góc
 ,,
. Chứng minh rằng:
1)
2 2 2

cos cos cos 2    

2)
2222
ABCOCAOBCOAB
SSSS




Phần II. 5 .
HÌNH CHĨP CĨ CÁC MẶT BÊN NGHIÊNG ĐỀU TRÊN ĐÁY
* Lưu ý: Chân đường cao của hình chóp trùng với tâm của đường tròn nội tiếp đa giác đáy.
Ví dụ .
Cho tứ diện OABC có ba cạnh OA;OB;OC đôi một vuông góc . Gọi
; ;
  
lần lượt là các góc
giữa mặt phẳng (ABC) với các mặt phẳng (OBC);(OCA) và (OAB).
Chứng minh rằng :
1)
2 2 2
cos cos cos 1    

2)
cos cos cos 3     

BÀI TẬP
Cho hình cầu bán kính R nội tiếp trong hình chóp. Đáy của hình chóp là hình thoi có góc nhọn


, các
mặt bên của hình chóp tạo với đáy góc

. Tính thể tích của hình chóp.

Phần II. 6 .
CÁC LOẠI HÌNH CHĨP KHÁC
Ví dụ 1.
Cho hình chóp S.ABCD đáy là hình thoi ABCD có tâm O, SO là đường cao của hình chóp. M là trung
điểm cạnh SC. SO =
2a
, AC = 4, BD = 2.
1) Tính góc và khoảng cách giữa hai đường thẳng SA và BM.
2) Giả sử mặt phẳng (ABM) cắt đường thẳng SD tại N. Tính thể tích của khối chóp S.ABMN.
3) Chứng minh rằng mọi điểm thuộc đường cao của hình chóp cách đều bốn mặt bên của hình
chóp.
BÀI TẬP.
Cho hình chữ nhật ABCD. Trên các nửa đường thẳng At, Ct’ vng góc với mặt phẳng (ABCD) và
nằm cùng phía đối với mặt phẳng (ABCD) lần lượt lấy các điểm M, N tương ứng. Đặt AM = m,
CN = n, AB = a, BC = b.
1) Tìm điều kiện của a, b, m, n đẻ mặt phẳng (MBD) vng góc với mặt phẳng (NBD).
2) Trong trường hợp mặt phẳng (MBD) vng góc với mặt phẳng (NBD). Hãy tìm giá trị nhỏ
nhất của tứ diện ACMN theo a, b, m, n.