I. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lý do chọn đề tài
Trong quá trình giảng dạy, ôn thi THPT Quốc gia chúng ta thường gặp các bài
toán liên quan đến góc, trong đó có bài toán về góc giữa hai mặt phẳng. Với nhiều học
sinh, cũng như giáo viên nhiều khi còn lúng túng trong việc xác định phương pháp để
giải quyết bài toán. Thông thường khi tính góc giữa hai mặt phẳng, chúng ta thường sử
dụng định nghĩa, sử dụng cách xác định góc giữa hai mặt phẳng cắt nhau, phương
pháp tọa độ hóa Tuy nhiên, trong quá trình giải có nhiều bài yêu cầu nhận định và
tính toán phức tạp, mất rất nhiều thời gian.
Với những lý do trên, cùng với mong muốn góp phần phát triển tư duy, kỹ năng
cho học sinh, tôi xin giới thiệu một phương pháp mà ít giáo viên và học sinh sử dụng
đó là “Vận dụng khoảng cách trong bài toán tính góc giữa hai mặt phẳng”.
2. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu
Phát triển tư duy và rèn luyện kỹ năng giải các bài tập liên quan đến góc giữa
hai mặt phẳng cho học sinh khá, giỏi.
Nâng cao hiệu quả trong việc ôn thi THPT Quốc gia.
Đề tài áp dụng hiệu quả cho đối tượng học sinh khá, giỏi lớp 11, 12
). Suy ra AH DC . Do đó AH SDC hay , .d A SDC AH Xét tam giác SAD vuông tại A , đường cao AH , ta có 22 2 2 2 2 1 1 1 1 1 4 3 . 3 23 a AH AH AB SA a aa Xét tam giác SBC vuông tại B , đường cao BK , ta có 22 2 2 2 2 1 1 1 1 1 5 2 . 4 52 a BK BK SB BC a aa Từ đó suy ra 3 152sin 2 4 5 a AH aBK 2 1 cos 1 sin . 4 Chọn D. 2a a 3 a C A B D S H K 6 Nhận xét: Ở đây việc xác định và tính , AH BK rất dễ dàng, do đó vận dụng khoảng cách vào tính góc trong bài này được giải quyết rất gọn nhẹ và nhanh chóng. Thay vì lựa chọn điểm B như ở trên, chúng ta có thể chọn điểm D với vai trò hoàn toàn tương tự. Qua hai cách giải trên, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy, nếu sử dụng cách 1 thì chúng ta cần phải xác định được góc cụ thể, còn nếu sử dụng cách thứ 2 chúng ta không cần chỉ ra góc mà vẫn tính được thông qua khoảng cách. b. Các bài tập vận dụng. Vấn đề 1: Tính góc giữa hai mặt phẳng trong hình chóp. Bài 1: ( Đề thi thử Sở GD – ĐT Thành Phố Hồ Chí Minh năm 2019) Cho hình chóp .S ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại B , ,AB a 2AC a , 2 ,SA a SA ABC . Gọi là góc giữa hai mặt phẳng SAC và SBC . Khi đó cos bằng A. 3 2 . B. 1 2 . C. 15 5 D. 3 5 . Lời giải Ta có .SAC SBC SC Khi đó , sin , d A SBC d A SC . Kẻ , AH SB H SB . Vì , BC AB BC SA SA ABC BC SAB BC AH Từ đó suy ra AH SBC hay , .d A SBC AH Kẻ AK SC K SC ,d A SC AK . Xét tam giác SAB vuông tại A , đường cao AH , ta có a 2a 2a A C B S H K 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 5 2 . 4 4 5 a AH AH AB SA a a a Xét tam giác SAC vuông tại A , đường cao AK , ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 2. 4 4 2 AK a AK AC SA a a a Từ đó suy ra 2 10 155sin cos . 5 52 a a Chọn C. Nhận xét: Trong bài này, việc tính khoảng cách từ điểm A đến mặt phẳng SBC là một bài toán cơ bản và quen thuộc. ( A là chân đường cao hạ từ đỉnh xuống mặt đáy). Tuy nhiên, chúng ta có thể chọn điểm B để tính và công việc cũng dễ dàng không kém hơn việc tính từ điểm A . Đây là một điểm thực sự rất nổi bật trong phương pháp này. Bài 2: Cho hình chóp .S ABCD có ABCD là hình vuông cạnh a . Tam giác SAD đều và nằm trong mặt phẳng vuông góc với đáy. Gọi M là trung điểm của AD , là góc tạo bởi hai mặt phẳng SCM và SAB . Khi đó, cot bằng A. 6 3 . B. 6 2 . C. 2 6 3 . D. 6 . Lời giải Ta có M là trung điểm của AD , tam giác SAD đều nên .SM AD Mặt khác tam giác SAD nằm trong mặt phẳng vuông góc với đáy suy ra SM ABCD . Kẻ CM cắt AB tại .E Khi đó, A là trung điểm của BE , suy ra AE AB a . Ta có .SCM SAB SE Suy ra , sin . , d A SCM d A SE Gọi , K H lần lượt là hình chiếu vuông góc lên SE và EM . Ta có , .d A SE AK Vì , AB AD AB SM AB SAD AB SA . 8 Mặt khác AE SA a nên tam giác SAE vuông cân tại A . Do đó 2 2 1 2 . 2 2 a AK SE SA AE Ta lại có, , AH CM AH SM SM ABCD AH SCM hay ,d A SCM AH . Xét tam giác AME vuông tại ,A đường cao AH Ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 4 5 5 5 a AH AH AE AM a a a . Suy ra 5 105sin 52 2 a AH AK a 2 1 6 cot 1 210 5 . Chọn B. Nhận xét: Ở bài này, việc chỉ ra góc khó hơn ở bài trên. Do đó vận dụng khoảng cách để tính là hợp lý. Việc lựa chọn tính khoảng cách từ điểm A hay B đến mặt phẳng SCM thì đều như nhau. Ngoài ra chúng ta có thể tính sin , , . , , d M SAB d C SAB d M SE d C SE Việc tính theo công thức này cũng đơn giản như cách tính ở trên. Bài 3: (Đề thi thử trường THPT Hà Huy Tập – Hà Tĩnh năm 2019) Cho hình chóp .S ABCD có đáy ABCD là hình bình hành, 03, 4, 120 .AB AD BAD Cạnh 2 3SA vuông góc với đáy. Gọi , , M N P lần lượt là trung điểm các cạnh , , SA AD BC . Gọi là góc giữa hai mặt phẳng SBC và MNP . Tính . A. 060 . B. 045 . C. 090 . D. 030 . Lời giải Gọi Q là trung điểm của SB . Khi đó MNP SBC PQ . Ta có , , sin , , d B MNP d A MNP d B PQ d B PQ . Kẻ AI PN I PN , AH MI H MI . Khi đó ,d A MNP AH . 9 Ta có 0 0120 60BAD ANP , 3 .sin 2. 3 2 AI AN ANP . Xét tam giác AIM vuông tại ,A đường cao AH , ta có 2 2 2 1 1 1 1 1 2 6 3 3 3 2 AH AH MA AI . Kẻ BK QP K QP ,d B QP BK . Ta có 2 2 2 2 . cosAC AD DC AD DC ADC 2 116 9 2.4.3. 13 2 AC . Suy ra 2 2 12 13 5SC SA AC . 2 2 2 12 9 21SB SA AB . 2 2 2 25 16 21 1 cos cos 2 . 2.5.4 2 SC CB SB QPB SCB SC CB 3 sin . 2 QPB Ta có 3 sin 2. 3 2 BK BP QPB . Từ đó suy ra 0 6 22sin 45 23 AH BK . Chọn B. Nhận xét: Ở bài này việc xác định góc giữa hai mặt phẳng là rất khó. Do đó, ta nên vận dụng khoảng cách để tính góc. Lựa chọn tính khoảng cách từ điểm B đến giao tuyến PQ và mặt phẳng MNP hay tính khoảng cách từ các điểm , N M đến giao tuyến PQ và mặt phẳng SBC trong trường hợp này tùy thuộc vào cách nhìn bao quát và toàn diện của mỗi học sinh. Tuy nhiên nếu các em lựa chọn điểm ngẫu nhiên thì các bước đi đến kết quả của phương pháp này cũng khá đơn giản và gọn nhẹ. Bài 4: Cho hình chóp .S ABCD có đáy là hình thoi cạnh ,a góc 0120 .BAD Hình chiếu vuông góc của đỉnh S lên mặt phẳng ABCD là điểm H nằm trên đoạn thẳng AB sao cho 2 .HA HB Góc giữa SC và mặt phẳng ABCD bằng 060 . Gọi là góc giữa hai mặt phẳng SAC và SCD . Tính cot . A. 7 4 . B. 7 5 . C. 5 7 . D. 4 7 . Lời giải 4 3 2 3 1200 Q P N M C A D B S I H K Ta có SAC SCD SC . Khi đó , sin . , d A SCD d A SC Gọi M là trung điểm của AD . Vì ABCD là hình thoi cạnh ,a 0120BAD nên ABC và ACD là các tam giác đều cạnh .a Do đó, 3 . 2 a AM Xét tam giác ACH , ta có 2 2 2 02 . .cos60CH AC AH AC AH 2 2 2 4 2 1 7 72. . . . 9 3 2 9 3 a a a a a a CH Góc giữa SC và ABCD là góc 060 .SCH Từ đó suy ra 21 .tan 60 , 3 o aSH CH 2 7 . 3 a SC Vì / /AB CD nên , , ,d A SCD d AB SCD d H SCD . Kẻ / / HI AM I DC . Khi đó 3 2 a HI AM và HI DC . Kẻ HK SI K SI . Ta có , DC HI DC SH SH ABCD DC SHI HK DC . Từ đó suy ra HK SDC hay ,d A SDC HK . Xét tam giác SHI vuông tại ,H đường cao HK , ta có 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 4 3 37 21 . 3 7 21 37 a HK HK HI SH AM SH a a a Ta có , 2 2 2 3 3 , . , 3 3 3 2 3 d H AC HA a a HL d B AC d B AC BA , 2 2 2 2 3 21 2 6 . 3 3 3 a a a SL HL SH Ta lại có , .d A SC AT 11 Vì 2 6 . 1 1 . 63. . . 2 2 2 7 7 3 SAC a a SL AC a S SL AC AT SC AT SC a Suy ra 21 7 537sin cot . 76 74 7 a HK AT a Chọn C. Nhận xét: Việc xác định góc giữa hai mặt phẳng trong bài này rất phức tạp. Do đó vận dụng khoảng cách để tính rất phù hợp. Tương tự, ở bài này lựa chọn tính khoảng cách từ điểm A tới đường thẳng SC , mặt phẳng SCD hay từ điểm D tới đường thẳng SC , mặt phẳng SAC đều khá dễ dàng như nhau. Bài 5: (Đề thi thử trường THPT Lương Thế Vinh – Hà Nội 2019) Cho hình chóp .S ABCD có đá ABCD là hình vuông cạnh, hình chiếu vuông góc của đỉnh S nằm trong hình vuông ABCD . Hai mặt phẳng , SAD SBC vuông góc với nhau; góc giữa hai mặt phẳng SAB và SBC là 060 ; góc giữa hai mặt phẳng SAB và SAD là 045 . Gọi là góc giữa hai mặt phẳng SAB và ABCD , giá trị cos là A. 2 2 . B. 1 2 . C. 3 2 . D. 0 . Lời giải Kẻ SH ABCD , , , SM AD SN BC HK AB . Ta có SAB ABCD AB . Khi đó , sin , d H SAB d H AB . Ta có 0, 90SAD SBC MSN . K M N C A D B S H 12 Vì , BC SM BC SN BC SMN / / .MN BC MN AB Khi đó , , , 0 .d H SAB d M SAB d N SAB x x 0 0 ,3 2 , 60 sin 60 , . 2 , 3 d N SAB x SAB SBC d N SB d N SB Suy ra 2 2 2 2 2 3 1 1 1 1 1 4x SN BN SN HK 0 0 ,2 , 45 sin 45 , 2 2 , d M SAB SAB SAD d M SA x d M SA . Suy ra 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2x SM AM SM HK Từ 1 và 2 ta được 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 1 1 2 1 1 1 1 1 2 . 4 HK x x SM SN HK SH HK HK x HK Từ đó suy ra , 1 sin , . , 2 2 d H SAB x SAB ABDC d H AB x Vậy 3cos , . 2 SAB ABDC Chọn C. Nhận xét: Đây là một bài toán rất hay, nếu chúng ta xác định góc cụ thể của từng cặp mặt phẳng thì sẽ rất rối hình. Tuy nhiên, như chúng ta nhìn thấy, vận dụng khoảng cách để giải quyết thì bài toán này trở nên nhẹ nhàng, đơn giản hơn nhiều. Vấn đề 2: Tính góc giữa hai mặt phẳng trong hình lăng trụ. Bài 1: (Đề minh họa kỳ thi THPT Quốc Gia 2018) Cho hình lăng trụ tam giác đều .ABC A B C có 2 3AB và 2AA . Gọi , , M N P lần lượt là trung điểm các 13 cạnh , A B A C và BC . Côsin của góc tạo bởi hai mặt phẳng AB C và MNP bằng A. 6 13 65 . B. 13 65 . C. 17 13 65 . D. 18 13 . 65 Lời giải Vì , / /P BC BC MN nên mặt phẳng MNP chính là mặt phẳng MNBC . Gọi , I AB BM J AC CN . Khi đó / / / /AB C MNP IJ IJ BC MN . Gọi là góc tạo bởi hai mặt phẳng AB C và MNP . Ta có , sin , d B MNP d B IJ . Vì .ABC A B C là lăng trụ tam giác đều nên tam giác AB C cân tại A . Suy ra AK B C . Do đó , ,d B IJ d K IJ KE Ta có 2 2 2 24, 13AB AB BB AK AB B K . Dễ thấy I là trọng tâm tam giác BB A . Suy ra 1 3 B I B A . Từ đó ta có 1 13 3 3 KE AK . Gọi , Q H lần lượt là hình chiếu vuông góc của B lên MN và BQ . Khi đó ,d B MNP B H . Ta có 1 3 2 2 B Q A K . Xét tam giác BB Q vuông tại B , đường cao B H , ta có 2 2 2 1 1 1 4 1 25 6 9 4 36 5 B H B H B Q B B . 2 2 3 E Q JI P K M C A N B' C' A' B H 14 Suy ra 6 18 13 135sin cos 65 6513 3 B H KE . Chọn B. Nhận xét: Vai trò của B và C như nhau nên chúng ta có thể lựa chọn điểm C để thực hiện các bước hoàn toàn tương tự. Bài 2: (Đề thi thử trường THPT Cẩm Bình – Hà Tĩnh năm 2018) Cho hình lăng trụ .ABC A B C có đáy là tam giác đều cạnh 2a . Hình chiếu vuông góc của A lên mặt phẳng ABC là trung điểm H của cạnh AB . Biết góc giữa cạnh bên và mặt đáy bằng 060 . Gọi là góc giữa hai mặt phẳng BCC B và ABC . Khi đó cos bằng A. 1 3 . B. 1 5 . C. 4 17 . D. 1 17 . Lời giải Ta có BCC B ABC BC . Khi đó , sin , d A BCC B d A BC . Gọi M là trung điểm của BC .Vì tam giác ABC đều cạnh 2a nên ,AM BC 3AM a , 3.d A BC AM a Gọi D là chân đường cao hạ từ đỉnh B xuống mặt phẳng ABC . Khi đó B là trung điểm của HD . Ta có , 2 , d A BCC B AB DBd D BCC B hay , 2 ,d A BCC B d D BCC B . Gọi , I K lần lượt là hình chiếu vuông góc của D lên BC và B I . Khi đó , .d D BCC B DK Ta có 1 1 3 2 2 2 DI DB a DI AM AM AB . Vì góc giữa cạnh bên và mặt đáy là 060A AH 0.tan60 3B D A H AH a . Xét tam giác B DI vuông tại ,D đường cao DK ta có 2a600 I M D B' C' H A B A' C K 15 2 2 2 2 2 2 1 1 1 4 1 5 15 3 3 3 5 a DK DK DI B D a a a . Suy ra 15 2. 2 2 15sin cos 3 5 5 a DK AM a . Chọn B. Nhận xét: Trong quá trình giải quyết bài toán tính góc theo khoảng cách ngoài cách chọn cách điểm như trên ta có thể chọn các điểm , , H B C để tính khoảng cách tới giao tuyến và các mặt phẳng tương ứng cũng hoàn toàn đơn giản. Bài 3: Cho hình lập phương .ABCD A B C D . Gọi M là trung điểm của cạnh BC , là góc giữa hai mặt phẳng B AM và A B CD . Khi đó, số đo của góc bằng A. 030 . B. 045 . C. 060 . D. 075 . Lời giải Kẻ AM cắt DC tại N . Ta có .B AM A B CD B N Khi đó , , sin , , d C B AM d B B AM d C B M d C B M . Kẻ , BH AM H AM BK SH . Suy ra ,d B B AM BK . Xét tam giác B BH vuông tại B , đường cao BK , ta có 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 4 1 6 6 . 6 a BK BK BB BH BB BM BA a a a a Kẻ CP B N P B N . Khi đó ,d C B N CP . Xét tam giác B CN vuông tại C , đường cao CP , ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 6 . 2 2 3 a CP CP CB CN a a a a N M A' A B C D B' C' D' H K P Vậy 0 6 16sin 30 . 26 3 a BK CP a Chọn A. Nhận xét: Việc tính toán trong bài này cũng đơn giản và nhẹ nhàng, thay vì lựa chọn tính khoảng cách từ điểm C đến giao tuyến B N và mặt phẳng B AM chúng ta cũng có thể lựa chọn là tính khoảng cách từ điểm A đến giao tuyến và mặt phẳng A B CD , việc này cũng hoàn toàn đơn giản, tương tự như ở câu 2. Câu 4: Cho lăng trụ đứng .ABC A B C có đáy là tam giác đều và tất cả các cạnh bằng a , M là trung điểm của A B . Côsin của góc tạo bởi hai mặt phẳng MBC và ACC A bằng A. 5 . 10 B. 3 5 . 5 C. 5 . 5 D. 15 . 5 Lời giải Kẻ AA cắt BM tại .D Ta có .MBC ACC A C D Gọi là góc tạo bởi hai mặt phẳng MBC và ACC A . Khi đó , sin , d B ACC A d B C D . Gọi N là trung điểm cạnh AC . Ta có , BN AC BN AA BN ACC A Hay ,d B ACC A BN . Tam giác ABC đều cạnh a nên 3 . 2 a BN C M Kẻ BK DC K DC ,d B DC BK . Ta có 1 1 . . . . 2 2 C BD C M BD S C M BD BK C D BK C D Xét tam giác ABD vuông tại A , ta có 22 2 5.BD a a a Xét tam giác DMCvuông tại ,M ta có 2 3 5 2. 2 2 a a C D a Do đó, 3 . 5 302 . 42 a a a BK a Suy ra 3 10 152sin cos . 5 530 4 a BN BK a Chọn D. Nhận xét: Ở bài này, vận dụng khoảng cách để tính toán cũng rất đơn giản. Và như tôi đã trình bày, chúng ta có nhiều cách lựa chọn điểm để tính khoảng cách tới giao tuyến và mặt phẳng còn lại. Với bài trên, thay vì lựa chọn điểm B , ta chọn điểm A thì công việc lại gọn nhẹ hơn rất là nhiều. Kẻ AA cắt BM tại .D Ta có .MBC ACC A C D Gọi là góc tạo bởi hai mặt phẳng MBC và ACC A . Khi đó , sin , d A BCM d A C D . Kẻ A H BD H BD . Ta có C M ABB A A H C M . Từ đó suy ra A H MBC hay ,d A MBC A H . Xét tam giác A DM vuông tại A , đường cao A H , ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 4 5 5 . 5 a A H A H A D A M a a a Kẻ ,A K DC K DC d A DC A K . Xét tam giác A DC vuông tại A , đường cao A K , ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 . 2 a A H A K A D A C a a a 18 Từ đó suy ra 5 10 155sin cos . 5 52 2 a A H A K a Chọn D. Bài 5: Cho hình lăng trụ đứng .ABC A B C có AB a , 3AC a , AA a , 0150BAC . Gọi M là trung điểm của CC , là góc giữa mặt phẳng AB M và mặt phẳng ABC . Khẳng định nào sau đây là đúng? A. 66 sin . 22 B. 66 sin . 11 C. 418 sin . 44 D. 418 sin . 22 Lời giải Kẻ BC cắt B M tại N . Khi đó M là trung điểm của B N . Ta có .AB M ABC AN Khi đó , , sin , 2 , d B ABC d B ABC d B AN d M AN . Ta có ,d B ABC BB a . Kẻ MH AN H AN ,d M AN MH . Xét tam giác ABC ta có 2 2 2 2 . .cosBC AB AC AB AC BAC 2 2 2 233 2. . 3. 7 7 2 BC a a a a a BC a 2 2 2 2 2 27 3 5 7 cos . 2 . 142 . 7 AB BC AC a a a ABC AB BC a a 21 1 1 3 . .sin . 3. . 2 2 2 4 ABC a S AB AC BAC a a Xét tam giác ABN có 2 2 2 2 . .cosAN AB BN AB BN ABC 2 2 2 25 728 2. .2 7. 19 19. 14 AN a a a a a AN a Ta lại có 2 2 3 2. 3 1 574. . 4 2 3819 ACN ABC a a S S CH AN CH a a a 1500 a 3 N M B C A A' C'B' H 19 Suy ra 2 2 2 2 2 2 3 11 418 . 4 76 38 38 a a a a MH MC CH MH Vậy 418 sin . 2 22418 2. 38 BB a MH a Chọn D. Nhận xét: Với bài này chúng ta cũng có thể lựa chọn cách tính khoảng cách từ điểm C đến giao tuyến AN và mặt phẳng AB M tương tự như cách ở trên. Bài 6: Cho lăng trụ .ABC A B C có đáy là tam giác đều cạnh 3a , hình chiếu vuông góc của A lên mặt phẳng ABC là điểm H thuộc cạnh AB thỏa mãn 2 0AH BH , là góc giữa AA và mặt đáy, biết 7 tan 2 . Khi đó tan góc giữa hai mặt phẳng ABC và A HC bằng A. 2 6 . B. 6 12 . C. 3 6 . D. 6 18 . Lời giải Gọi I là giao điểm của AC và A C . Ta có .ABC A HC HI Gọi là góc giữa hai mặt phẳng ABC và A HC . Khi đó , sin . , d C ABC d C HI Xét tam giác BCH ta có 2 2 2 2 . .cosCH BC BH BC BH ABC 2 2 2 219 2.3 . . 7 7. 2 CH a a a a a CH a Góc giữa AA và ABC là .A AH Ta có 7 tan 7. 2 A H A H a AH Từ đó suy ra tam giác A HC vuông cân tại H . Do đó, A C HI hay 14 , . 2 2 A C a d C HI CI Gọi N là hình chiếu vuông góc của C lên mặt phẳng ABC . Khi đó / /CN AB . 3a φ K N I H M A C B B' C'A' T 20 Kẻ NK AB K AB , khi đó 3 3 2 a NK CM (CM là trung tuyến trong tam giác đều cạnh 3a ). Kẻ NT C K T C K , dễ thấy , , .d C ABC d N ABC NT Xét tam giác C NK vuông tại N , đường cao NT , ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 4 55 3 1155 7 27 189 55 NT NT C N NK a a a . Suy ra 3 1155 3 33055sin tan 3 6 5514 2 a NT CI a . Chọn C. Nhận xét: Đây là một bài xác định góc khó, vì vậy sử dụng khoảng cách để tính góc giữa hai mặt phẳng có thể coi là phương pháp tối ưu. Cũng như các bài tập ở trên, chúng ta cũng có thể có nhiều lựa chọn khác nhau trong việc chọn tính khoảng cách từ điểm tới đường thẳng và mặt phẳng để giải quyết bài toán. c. Một số b
Tài liệu đính kèm: