Dạng 3: Chứng minh hai đường thẳng vuông góc và các bài toán liên quan

Học Lớp

Administrator
Thành viên BQT
Phương pháp:
Để chứng minh ${d_1} \bot {d_2}$ ta có trong phần này ta có thể thực hiện theo các cách sau:
  • Chứng minh ${d_1} \bot {d_2}$ ta chứng minh $\overrightarrow {{u_1}} \overrightarrow {{u_2}} = 0$ trong đó $\overrightarrow {{u_1}} ,\overrightarrow {{u_2}} $ lần lượt là các vec tơ chỉ phương của ${d_1}$ và ${d_2}$.
  • Sử dụng tính chất $\left\{ \begin{array}{l}b\parallel c\\a \bot c\end{array} \right. \Rightarrow a \bot b$.
  • Sử dụng định lí Pitago hoặc xác định góc giữa ${d_1},{d_2}$ và tính trực tiếp góc đó.
  • Tính độ dài đoạn thẳng, diện tích của một đa giác.
  • Tính tích vô hướng

Ví dụ vận dụng
Câu
1: Cho hình hộp ABCD.A'B'C'D' có tất cả các cạnh đều bằng nhau. Trong các mệnh đề sau, mệnh đề nào có thể sai?
A. $A'C' \bot BD$.
B. $BB' \bot BD$.
C. $A'B \bot DC'$.
D. $BC' \bot A'D$.
Chọn B.
hai đường thẳng vuông góc 01.png

Chú ý: Hình hộp có tất cả các cạnh bằng nhau còn gọi là hình hộp thoi.
A đúng vì:
$\left\{ \begin{array}{l}A'C' \bot B'D'\\B'D'{\rm{ // }}BD\end{array} \right. \Rightarrow A'C' \bot BD$.
B sai vì:
C đúng vì: $\left\{ \begin{array}{l}A'B \bot AB'\\AB'{\rm{ // }}DC'\end{array} \right. \Rightarrow A'B \bot DC'$.
D đúng vì: $\left\{ \begin{array}{l}BC' \bot B'C\\B'C{\rm{ // }}A'D\end{array} \right. \Rightarrow BC' \bot A'D$.
Câu 2: Cho tứ diện ABCD trong đó AB = 6, CD = 3, góc giữa AB và CD là $60^\circ $ và điểm M trên BC sao cho BM = 2MC. Mặt phẳng (P) qua M song song với AB và CD cắt BD, AD, AC lần lượt tại M, N, Q. Diện tích MNPQ bằng:
A. $2\sqrt 2 $
B. 2
C. $2\sqrt 3 $
D. 3/2
Chọn C
hai đường thẳng vuông góc 13.png

Thiết diện MNPQ là hình bình hành.
Ta có$\left( {AB,CD} \right) = \left( {QM,MP} \right) = \widehat {QMP} = 60^\circ $.
Suy ra ${S_{MPNQ}} = QN.QN.\sin 60^\circ $.
Lại có $\Delta CMQ\,\,\# \,\,\Delta CBA \Rightarrow \frac{{CM}}{{AB}} = \frac{{MO}}{{AB}} = \frac{1}{3} \Rightarrow MQ = 2$
$\Delta AQN\,\,\# \,\,\Delta ACD \Rightarrow \frac{{AQ}}{{AC}} = \frac{{QN}}{{CD}} = \frac{2}{3} \Rightarrow QN = 2$
Do đó ${S_{MPNQ}} = QM.QN.\sin 60^\circ = 2.2.\sin 60^\circ = 2\sqrt 3 $.
Câu 3: Cho tứ diện ABCD có AB vuông góc với CD, $AB = 4{,^{}}CD = 6$. M là điểm thuộc cạnh BC sao cho MC = 2BM. Mặt phẳng (P) đi qua M song song với AB và CD. Diện tích thiết diện của (P) với tứ diện là?
A. 5
B. 6
C. 17/3
D. 16/3
hai đường thẳng vuông góc 14.png

Ta có $\left( {AB,CD} \right) = \left( {MN,MQ} \right) = \widehat {NMQ} = 90^\circ $.
Suy ra thiết diện MNPQ là hình chữ nhật.
Lại có:$\begin{array}{l} \Delta CMN \sim \Delta CBA \to \frac{{CM}}{{CB}} = \frac{{MN}}{{AB}} = \frac{1}{3} \to MN = \frac{4}{3}\\ \Delta ANP \sim \Delta ACD \to \frac{{AN}}{{AC}} = \frac{{NP}}{{XD}} = \frac{2}{3} \to MP = 4 \end{array}$
Suy ra ${S_{MNPQ}} = MN.NP = \frac{{16}}{3}$.
Câu 4: Cho tứ diện ABCD có AB vuông góc với CD. Mặt phẳng (P) song song với AB và CD lần lượt cắt $BC,{\rm{ }}DB,{\rm{ }}AD,{\rm{ }}AC$ tại $M,{\rm{ }}N,{\rm{ }}P,{\rm{ }}Q$. Tứ giác MNPQ là hình gì?
A. Hình thang.
B. Hình bình hành.
C. Hình chữ nhật.
D. Tứ giác không phải là hình thang.
Chọn C
hai đường thẳng vuông góc 04.png

Ta có: $\left\{ \begin{array}{l}\left( {MNPQ} \right){\rm{//}}AB\\\left( {MNPQ} \right) \cap \left( {ABC} \right) = MQ\end{array} \right. \Rightarrow MQ{\rm{//}}AB.$
Tương tự ta có: $MN{\rm{//}}CD,\,\,NP{\rm{//}}AB,\,\,QP{\rm{//}}C{\rm{D}}$.
Do đó tứ giác MNPQ là hình bình hành
lại có $MN \bot MQ\left( {do\,AB \bot CD\,} \right)$.
Vậy tứ giác MNPQ là hình chữ nhật.
Câu 5: Cho tứ diện đều ABCD có cạnh bằng a. Gọi M,N,P,Q,R lần lượt là trung điểm của AB,CD,AD,BC và AC.
a) Khẳng định nào sau đây là đúng nhất?
A. $MN \bot RP,MN \bot RQ$
B. $MN \bot RP,$MN cắt RQ
C. MN chéo RP; MN chéo RQ
D. Cả A, B, C đều sai
b) Tính góc của hai đường thẳng AB và CD?
A. $\widehat {\left( {AB,CD} \right)} = {60^0}$
B. $\widehat {\left( {AB,CD} \right)} = {30^0}$
C. $\widehat {\left( {AB,CD} \right)} = {45^0}$
D. $\widehat {\left( {AB,CD} \right)} = {90^0}$
hai đường thẳng vuông góc 05.png

a) Ta có $MC = MD = \frac{{a\sqrt 3 }}{2}$ nên tam giác MCD cân tại M, do đó $MN \bot CD$.
Lại có $RP\parallel CD \Rightarrow MN \bot RQ$.
b) Tương tự ta có $QP \bot AD$
Trong tam giác vuông $PDQ$ ta có
$Q{P^2} = Q{D^2} - D{P^2} = {\left( {\frac{{a\sqrt 3 }}{2}} \right)^2} - {\left( {\frac{a}{2}} \right)^2} = \frac{{{a^2}}}{2}$Ta có :
$R{Q^2} + R{P^2} = {\left( {\frac{a}{2}} \right)^2} + {\left( {\frac{a}{2}} \right)^2} = {a^2} = Q{P^2}$
Do đó tam giác $RPQ$ vuông tại $R$, hay $RP \bot RQ$.
Vì vậy $\left\{ \begin{array}{l}AB\parallel RQ\\CD\parallel RP\\RP \bot RQ\end{array} \right. \Rightarrow AB \bot CD$.
Câu 6: Trong không gian cho hai tam giác đều ABC và ABC' có chung cạnh AB và nằm trong hai mặt phẳng khác nhau. Gọi $M,{\rm{ }}N,{\rm{ }}P,{\rm{ }}Q$ lần lượt là trung điểm của các cạnh $AC,{\rm{ }}CB,{\rm{ }}BC'$ và $C'A$. Tứ giác MNPQ là hình gì?
A. Hình bình hành.
B. Hình chữ nhật.
C. Hình vuông.
D. Hình thang.
Chọn B
hai đường thẳng vuông góc 06.png

Vì $M,{\rm{ }}N,{\rm{ }}P,{\rm{ }}Q$ nên dễ thấy tứ giác MNPQ là hình bhình hành.
Gọi $H$ là trung điểm của AB.
Vì hai tam giác ABC và ABC' nên $\left\{ \begin{array}{l}CH \bot AB\\C'H \bot AB\end{array} \right.$
Suy ra $AB \bot \left( {CHC'} \right)$. Do đó $AB \bot CC'$.
Ta có: $\left\{ \begin{array}{l}PQ{\rm{//}}AB\\PN{\rm{//}}CC'\\AB \bot CC'\end{array} \right. \Rightarrow PQ \bot PN$.
Vậy tứ giác MNPQlà hình chữ nhật.
Câu 7: Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình bình hành với AB = a,AD = 2a. Tam giác SAB vuông can tại A, M là một điểm trên cạnh AD( M khác A và D). Mặt phẳng $\left( \alpha \right)$ đi qua M và song sog với $\left( {SAB} \right)$cắt $BC,SC,SD$ lần lượt tại $N,P,Q$.
a) MNPQ là hình gi?.
A. MNPQ là hình thang vuông.
B. MNPQ là hình vuông.
C. MNPQ là hình chữ nhật.
D. MNPQ là hình bình hành.
b)Tính diện tích của MNPQ theo a.
A. ${S_{MNPQ}} = \frac{{3{a^2}}}{8}$
B. ${S_{MNPQ}} = \frac{{{a^2}}}{8}$
C. ${S_{MNPQ}} = \frac{{3{a^2}}}{4}$
D. ${S_{MNPQ}} = \frac{{{a^2}}}{4}$
hai đường thẳng vuông góc 07.png

a) Ta có $\left\{ \begin{array}{l}\left( \alpha \right)\parallel \left( {SAB} \right)\\\left( {SAB} \right) \cap \left( {ABCD} \right) = AB\\\left( \alpha \right) \cap \left( {ABCD} \right) = MN\end{array} \right.$$ \Rightarrow MN\parallel AB$.
Tương tự $\left\{ \begin{array}{l}\left( \alpha \right)\parallel \left( {SAB} \right)\\\left( {SBC} \right) \cap \left( {SAB} \right) = SB\\\left( \alpha \right) \cap \left( {SBC} \right) = NP\end{array} \right. \Rightarrow NP\parallel SB$
$\left\{ \begin{array}{l}\left( \alpha \right)\parallel \left( {SAB} \right)\\\left( {SAD} \right) \cap \left( {SAB} \right) = SA\\\left( \alpha \right) \cap \left( {SAD} \right) = MQ\end{array} \right. \Rightarrow MQ\parallel SA$
Dễ thấy $MN\parallel PQ\parallel AB\parallel CD$ nên MNPQ là hình bình hành
Lại có $\left\{ \begin{array}{l}MN\parallel AB\\MQ\parallel SA\\AB \bot SA\end{array} \right. \Rightarrow MN \bot MQ$.
Vậy MNPQ là hình thang vuông.
b) Ta có $MN = AB = a$,$MQ = \frac{{SA}}{2} = \frac{a}{2}$, $PQ = \frac{{CD}}{2} = \frac{a}{2}$.
Vậy ${S_{MNPQ}} = \frac{1}{2}\left( {MN + PQ} \right).MQ$$ = \frac{1}{2}\left( {a + \frac{a}{2}} \right)\frac{a}{2} = \frac{{3{a^2}}}{8}$.
Câu 8: Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D' cạnh a. Trên các cạnh DC và BB' lấy các điểm M và N sao cho $MD = NB = x\left( {0 \le x \le a} \right)$. Khẳng định nào sau đây là đúng?
a) Khẳng định nào sau đây là đúng?
A. $AC' \bot B'D'$
B. AC’ cắt B’D’
C. AC’và B’D’ đồng phẳng
D. Cả A, B, C đều đúng
b) khẳng định nào sau đây là đúng ?.
A. $AC' \bot MN$
B. AC’ và MN cắt nhau
C. AC’ và MN đồng phẳng
D. Cả A, B, C đều đúng
hai đường thẳng vuông góc 08.png

Đặt $\overrightarrow {AA'} = \overrightarrow a ,\overrightarrow {AB} = \overrightarrow b ,\overrightarrow {AD} = \overrightarrow c $.
a) Ta có $\overrightarrow {AC'} = \overrightarrow a + \overrightarrow b + \overrightarrow c $, $\overrightarrow {B'D'} = \overrightarrow c - \overrightarrow b $ nên
$\overrightarrow {AC'} .\overrightarrow {B'D'} = \left( {\overrightarrow a + \overrightarrow b + \overrightarrow c } \right)\left( {\overrightarrow c - \overrightarrow b } \right)$
$ = \overrightarrow a \left( {\overrightarrow c - \overrightarrow b } \right) + {\overrightarrow c ^2} - {\overrightarrow b ^2} = {a^2} - {a^2} = 0$
$ \Rightarrow AC' \bot B'D'$.
b) $\overrightarrow {MN} = \overrightarrow {AN} - \overrightarrow {AM} = \left( {\overrightarrow {AB} + \overrightarrow {BN} } \right) - \left( {\overrightarrow {AD} + \overrightarrow {DM} } \right)$$ = \left( {\overrightarrow b + \frac{x}{a}\overrightarrow a } \right) - \left( {\overrightarrow c + \frac{x}{a}\overrightarrow b } \right) = \frac{x}{a}\overrightarrow a + \left( {1 - \frac{x}{a}} \right)\overrightarrow b - \overrightarrow c $
Từ đó ta có $\overrightarrow {AC'} .\overrightarrow {MN} = \left( {\overrightarrow a + \overrightarrow b + \overrightarrow c } \right){\rm{[}}\left( {\overrightarrow b + \frac{x}{a}\overrightarrow a } \right) - \left( {\overrightarrow c + \frac{x}{a}\overrightarrow b } \right) = \frac{x}{a}\overrightarrow a + \left( {1 - \frac{x}{a}} \right)\overrightarrow b - \overrightarrow c {\rm{]}}$
$ = \frac{x}{a}{\overrightarrow a ^2} + \left( {1 - \frac{x}{a}} \right){\overrightarrow b ^2} - {\overrightarrow c ^2} = x.a + \left( {1 - \frac{x}{a}} \right){a^2} - {a^2} = 0$.
Vậy $AC' \bot MN$.
Câu 9: Cho tứ diện ABCD có AC = a, BD = 3a. Gọi M và N lần lượt là trung điểm của AD và BC. Biết AC vuông góc với BD. Tính MN.
A. $MN = \frac{{a\sqrt {10} }}{2}$.
B. $MN = \frac{{a\sqrt 6 }}{3}$.
C. $MN = \frac{{3a\sqrt 2 }}{2}$.
D. $MN = \frac{{2a\sqrt 3 }}{3}$.
Chọn A.
hai đường thẳng vuông góc 09.png

Gọi E, F lần lượt là trung điểm của AB và CD.
Ta có: $\left\{ \begin{array}{l}EN{\rm{ // }}AC\\NF{\rm{ // }}BD\end{array} \right. \Rightarrow \left( {AC,BD} \right) = \left( {NE,NF} \right) = 90^\circ \Rightarrow NE \bot NF$ (1).
Mà: $\left\{ \begin{array}{l}NE = FM = \frac{1}{2}AC\\NF = ME = \frac{1}{2}BD\end{array} \right.$ (2).
Từ (1), (2) $ \Rightarrow MENF$ là hình chữ nhật.
Từ đó ta có: $MN = \sqrt {N{E^2} + N{F^2}} = \sqrt {{{\left( {\frac{{AC}}{2}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{BD}}{2}} \right)}^2}} = \sqrt {{{\left( {\frac{a}{2}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{3a}}{2}} \right)}^2}} = \frac{{a\sqrt {10} }}{2}$.
Chọn D
Câu 10: Trong không gian cho ba điểm $A{,^{}}B{,^{}}C$ bất kỳ, chọn đẳng thức đúng?
A. $2\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = A{B^2} + A{C^2} - B{C^2}$
B. $2\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = A{B^2} + A{C^2} - 2B{C^2}$
C. $\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = A{B^2} + A{C^2} - 2B{C^2}$
D. $\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = A{B^2} + A{C^2} - B{C^2}$
Chọn A.
$B{C^2} = A{B^2} + A{C^2} - 2AB.AC.\cos \left( {AB,AC} \right) = A{B^2} + A{C^2} - 2.\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} $
Câu 11: Cho hình lập phương ABCD.EFGH có cạnh bằng a. Tính $\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {EG} $
A. ${a^2}\sqrt 3 $.
B. ${a^2}$
C. $\frac{{{a^2}\sqrt 2 }}{2}$
D. ${a^2}\sqrt 2 $
Chọn B
hai đường thẳng vuông góc 11.png

Ta có $\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {EG} = \overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} $, mặt khác $\overrightarrow {AC} = \overrightarrow {AB} + \overrightarrow {AD} $.
Suy ra $\overrightarrow {AB} .\overrightarrow {EG} = \overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AC} = \overrightarrow {AB} \left( {\overrightarrow {AB} + \overrightarrow {AD} } \right) = \overrightarrow {A{B^2}} + \overrightarrow {AB} .\overrightarrow {AD} = {a^2}$
Câu 12: Cho tứ diện ABCD có $AB = a{,^{}}BD = 3a$. Gọi $M{,^{}}N$ lần lượt là trung điểm của AD và BC. Biết AC vuông góc với BD. Tính MN
A. $MN = \frac{{a\sqrt 6 }}{3}$
B. $MN = \frac{{a\sqrt {10} }}{2}$
C. $MN = \frac{{2a\sqrt 3 }}{3}$
D. $MN = \frac{{3a\sqrt 2 }}{2}$
Chọn B
hai đường thẳng vuông góc 12.png

Kẻ $NP{\rm{//A}}C\,\,\left( {P \in AB} \right)$, nối MP.
NP là đường trung bình $\Delta ABC$ $ \Rightarrow PN = \frac{1}{2}AC = \frac{a}{2}$.
MP là đường trung bình $\Delta ABD$ $ \Rightarrow PM = \frac{1}{2}BD = \frac{{3a}}{2}$.
Lại có $\left( {AC,BD} \right) = \left( {PN,PM} \right) = \overrightarrow {NPM} = 90^\circ $ suy ra $ \Rightarrow \Delta MNP$ vuông tại P.
Vậy $MN = \sqrt {P{N^2} + P{M^2}} = \frac{{a\sqrt {10} }}{2}$.
 

Chương 8: Vector trong không gian

Các dạng toán liên quan giữa hai đường thẳng trong không gian Các dạng toán liên quan giữa đường thẳng và mặt phẳng trong không gian Các dạng toán liên quan giữa hai mặt phẳng trong không gian Các dạng toán tính khoảng cách trong không gian