Dạng 3: Thiết diện và các bài toán liên quan

Học Lớp

Administrator
Thành viên BQT
Phương pháp:
Để xác định thiết diện của mặt phẳng α đi qua điểm O và vuông góc với đường thẳng d với một hình chóp ta thực hiện theo một trong hai cách sau:
chuyên đề thiết diện.png
Cách 1. Tìm tất cả các đường thẳng vuông góc với d, khi đó α sẽ song song hoặc chứa các đường thẳng này và ta chuyển về dạng thiết diện song song như đã biết ở ( dạng 2, §2 chương II).
Cách 2. Ta dựng mặt phẳng α như sau:
Dựng hai đường thẳng a, b cắt nhau cùng vuông góc với d trong đó có một đường thẳng đi qua O, khi đó α chính là mặt phẳng $mp\left( {a,b} \right)$.


Ví dụ vận dụng
Câu
1: Cho tứ diện đều ABCD cạnh $a = 12$, gọi (P) là mặt phẳng qua B và vuông góc với $AD.$ Thiết diện của (P) và hình chóp có diện tích bằng
A. $36\sqrt 2 $.
B. 40.
C. $36\sqrt 3 $
D. 36.
chuyên đề thiết diện 01.png

Thiết diện là tam giác $BCE$, với E là trung điểm của AD. Gọi $F$ là trung điểm của BC.
Ta có $BE = CE = \frac{{12\sqrt 3 }}{2} = 6\sqrt 3 $; $EF = \sqrt {B{E^2} - B{F^2}} = 6\sqrt 2 $.
Diện tích thiết diện là:
$S = \frac{1}{2}EF.BC = 36\sqrt 2 $.
Câu 2: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông tại B, cạnh bên $SA \bot \left( {ABC} \right).$ Mặt phẳng (P) đi qua trung điểm M của AB và vuông góc với SB cắt $AC,SC,SB$ lần lượt tại $N,P,Q.$ Tứ giác MNPQ là hình gì ?
A. Hình thang vuông.
B. Hình thang cân.
C. Hình bình hành.
D. Hình chữ nhật.
chuyên đề thiết diện 02.png

Ta có: $\left\{ \begin{array}{l}AB \bot BC\\SA \bot BC\end{array} \right. \Rightarrow BC \bot SB.$
Vậy $\left\{ \begin{array}{l}BC \bot SB\\\left( P \right) \bot SB\end{array} \right. \Rightarrow \left( P \right)//BC\left( 1 \right).$
Mà $\left( P \right) \cap \left( {ABC} \right) = MN\left( 2 \right).$
Từ $\left( 1 \right);\left( 2 \right) \Rightarrow MN//BC$
Tương tự ta có $PQ//BC;PN//SA$
Mà $SA \bot BC \Rightarrow PN \bot NM.$
Vậy thiết diện là hình thang MNPQ vuông tại N.
Câu 3: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều, O là trung điểm của đường cao AH của tam giác $ABC,{\rm{ }}SO$ vuông góc với đáy. Gọi I là điểm tùy ý trên $OH$ (không trùng với O vàH ). mặt phẳng (P) qua I và vuông góc với$OH$. Thiết diện của (P) và hình chóp S.ABC là hình gì?
A. Hình thang cân
B. Hình thang vuông
C. Hình bình hành
D. Tam giác vuông
chuyên đề thiết diện 03.png

Mặt phẳng (P) vuông góc với $OH$ nên (P) song song với SO
Suy ra (P) cắt (SAH) theo giao tuyến là đường thẳng ua I và song song với SO cắt SH tại K
Từ giả thiết suy ra (P) song song BC, do đó (P) sẽ cắt$(ABC),\,(SBC)$ lần lượt là các đường thẳng qua I và K
song song với BC cắt ${\rm{ }}AB,{\rm{ }}AC,{\rm{ }}SB,SC$ lần lượt tại
$M,N,Q,{\rm{ }}P$. Do đó thiết diện là tứ giác MNPQ
Ta có MN vàPQ cùng song song BC suy ra I là trung điểm của MN và K là trung điểm của PQ, lại có các tam giác ABC đều và tam giác SBC cân tại S suy ra IK vuông góc với MN và PQ dó đó MNPQ là hình thang cân.
Chọn A.
Câu 4: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều cạnh a và $SA = SB = SC = b$ ($a > b\sqrt 2 $). Gọi G là trọng tâmΔABC. Xét mặt phẳng (P) đi qua A và vuông góc với SC tại điểm ${C_1}$ nằm giữa S vàC. Diện tích thiết diện của hình chóp khi cắt bởi mặt phẳng(P) là
A. $S = \frac{{{a^2}\sqrt {3{b^2} - {a^2}} }}{{4b}}$.
B. $S = \frac{{{a^2}\sqrt {3{b^2} - {a^2}} }}{{2b}}$.
C. $S = \frac{{{a^2}\sqrt {3{b^2} + {a^2}} }}{{2b}}$.
D. $S = \frac{{{a^2}\sqrt {3{b^2} + {a^2}} }}{{4b}}$.
chuyên đề thiết diện 04.png

Kẻ $AI \bot SC \Rightarrow \left( {AIB} \right) \bot SC$. Thiết diện là tam giác $AIB$.
Ta có $AI = AC\sin \widehat {ACS} = a\sqrt {1 - {{\cos }^2}\widehat {ACS}} = a\sqrt {1 - \left( {\frac{{{a^2} + {b^2} - {b^2}}}{{2ab}}} \right)} = \frac{a}{{2b}}\sqrt {4{b^2} - {a^2}} $
Gọi J là trung điểm của AB. Dễ thất tam giác $AIB$ cân tại I, suy ra $IJ \bot AB$.
$IJ = \sqrt {A{I^2} - A{J^2}} = \frac{a}{{2b}}\sqrt {3{b^2} - {a^2}} $.
Do đó: $S = \frac{1}{2}AB.IJ = \frac{{{a^2}\sqrt {3{b^2} - {a^2}} }}{{4b}}$.
Chọn A
Câu 5: Tam giác ABC có BC = 2a, đường cao $AD = a\sqrt 2 $. Trên đường thẳng vuông góc với $\left( {ABC} \right)$ tại A, lấy điểm S sao cho $SA = a\sqrt 2 $. Gọi E, F lần lượt là trung điểm của SB vàSC. Diện tích tam giác $AEF$ bằng?
A. $\frac{{\sqrt 3 }}{4}{a^2}$
B. $\frac{{\sqrt 3 }}{6}{a^2}$
C. $\frac{1}{2}{a^2}$
D. $\frac{{\sqrt 3 }}{2}{a^2}$
chuyên đề thiết diện 05.png

Do $AD \bot BC,SA \bot BC \Rightarrow BC \bot \left( {SAD} \right)$$ \Rightarrow BC \bot AH \Rightarrow EF \bot AH$
$ \Rightarrow {S_{\Delta AEF}} = \frac{1}{2}EF.AH$
Mà $EF = \frac{1}{2}BC = a$. Do H là trung điểm $SD \Rightarrow AH = a$ $ \Rightarrow {S_{\Delta AEF}} = \frac{1}{2}{a^2}$
Câu 6: Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều cạnh $2a,\,SA \bot \left( {ABC} \right),\,SA = a\frac{{\sqrt 3 }}{2}.$ Gọi (P) là mặt phẳng đi qua A và vuông góc với $BC.$ Thiết diện của hình chóp S.ABC được cắt bởi (P)có diện tích bằng?
A. $\frac{{3{a^2}}}{8}.$
B. $\frac{{3{a^2}}}{2}.$
C. $\frac{3}{4}{a^2}.$
D. $\frac{{2{a^2}}}{3}.$
chuyên đề thiết diện 06.png

Gọi M là trung điểm của BC thì $BC \bot AM\,\left( 1 \right).$
Hiển nhiên $AM = a\sqrt 3 .$
Mà $SA \bot \left( {ABC} \right) \Rightarrow BC \bot SA\,\left( 2 \right).$
Từ $\left( 1 \right)\,$và $\left( 2 \right)$ suy ra $BC \bot \left( {SAM} \right) \Rightarrow \left( P \right) \equiv \left( {SAM} \right)$
Khi đó thiết diện của hình chópS.ABC được cắt bởi (P) chính là $\Delta SAM.$
$\Delta SAM$ vuông tại A nên ${S_{\Delta SAM}} = \frac{1}{2}SA.AM = \frac{1}{2}\frac{{a\sqrt 3 }}{2}.a\sqrt 3 = \frac{{3{a^2}}}{4}.$ $$
Chọn C
Câu 7: Cho hình chóp S.ABC có đáy BD. là tam giác đều cạnh a, $SA \bot \left( {ABC} \right)$,$SA = a$. Gọi (P) là mặt phẳng đi qua S và vuông góc vớiBC. Thiết diện của (P) và hình chóp S.ABC có diện tích bằng ?
A. $\frac{{{a^2}\sqrt 3 }}{4}$
B. $\frac{{{a^2}}}{6}$
C. $\frac{{{a^2}}}{2}$
D. ${a^2}$
chuyên đề thiết diện 07.png

Kẻ $AE \bot BC,SA \bot BC \Rightarrow BC \bot \left( {SAE} \right) \equiv \left( P \right)$
Thiết diện của mặt phẳng (P) và hình chóp S.ABC là tam giác SAE có diện tích : $2a$
Câu 8: Cho tứ diện SABC có hai mặt $\left( {ABC} \right)$ và $\left( {SBC} \right)$ là hai tam giác đều cạnh $a,\,SA = a\frac{{\sqrt 3 }}{2}.$ M là điểm trên AB sao cho $AM = b{\rm{ }}\left( {0 < b < a} \right).$ (P) là mặt phẳng qua Mvà vuông góc với $BC.$ Thiết diện của (P) và tứ diện SABC có diện tích bằng?
A. $\frac{{3\sqrt 3 }}{4}.{\left( {\frac{{a - b}}{a}} \right)^2}.$
B. $\frac{{\sqrt 3 }}{4}.{\left( {\frac{{a - b}}{a}} \right)^2}.$
C. $\frac{{3\sqrt 3 }}{{16}}{\left( {\frac{{a - b}}{a}} \right)^2}.$
D. $\frac{{3\sqrt 3 }}{8}{\left( {\frac{{a - b}}{a}} \right)^2}.$
chuyên đề thiết diện 08.png

Gọi N là trung điểm của BC.
$\left\{ \begin{array}{l}SB = SC\\AB = AC\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}BC \bot SN\\BC \bot AN\end{array} \right. \Rightarrow BC \bot \left( {SAN} \right).$
Theo bài ra $BC \bot \left( P \right) \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}M \in \left( P \right)\\\left( P \right)//\left( {SAN} \right)\end{array} \right.$.
Kẻ $MI//AN,\,MK//SA \Rightarrow $ Thiết diện của (P) và tứ diện SABC là $\Delta KMI.$
$\left\{ \begin{array}{l}\Delta ABC\\\Delta SBC\end{array} \right.$ là hai tam giác đều cạnh $a \Rightarrow AN = SM = \frac{{a\sqrt 3 }}{2} = SA \Rightarrow \Delta SAN$ là tam giác đều cạnh $\frac{{a\sqrt 3 }}{2} \Rightarrow \Delta KMI$ là tam giác đều cạnh $\frac{{\sqrt 3 }}{2}.\frac{{a - b}}{a} \Rightarrow {S_{\Delta KMI}} = \frac{{3\sqrt 3 }}{{16}}.{\left( {\frac{{a - b}}{a}} \right)^2}.$
Chọn C
Câu 9: Cho tứ diện đều ABCD cạnh a = 12, AP là đường cao của tam giác ACD. Mặt phẳng (P) qua B vuông góc với AP cắt mp$\left( {ACD} \right)$ theo đoạn giao tuyến có độ dài bằng ?
A. 9
B. 6
C. 8
D. 7
chuyên đề thiết diện 09.png

Ta có : $CD \bot AP,CD \bot BP \Rightarrow CD \bot \left( {APB} \right) \Rightarrow BG \bot CD$
Tương tự : $AD \bot CM,AD \bot BM \Rightarrow AD \bot \left( {BCM} \right) \Rightarrow AD \bot BG$
Suy ra : $BG \bot \left( {ABC} \right) \Rightarrow BG \bot AP$
Kẻ KL đi qua trọng tâm G của $\Delta ACD$ và song song với CD $ \Rightarrow AP \bot KL$ $ \Rightarrow \left( P \right)$ chính là mặt phẳng $\left( {BKL} \right)$ $ \Rightarrow \left( {ACD} \right) \cap \left( {BKL} \right) = KL = \frac{2}{3}CD = 8$
Có thể nói nhanh theo tính chất tứ diện đều:
Gọi G là trọng tâm $\Delta ACD$ thì G là tâm $\Delta ACD$ và $BG \bot (ACD)$
Trong mp(ACD) kẻ qua G đường thẳng song song với CD cắt AC,AD lần lượt tại K,L
Ta có $(BKL) \bot (ACD),AP \bot KL \Rightarrow AP \bot (BKL)$. Vậy $(P) \equiv (BKL)$
$ \Rightarrow \left( {ACD} \right) \cap \left( {BKL} \right) = KL = \frac{2}{3}CD = 8$.
Câu 10: Cho hình chóp S.ABCD, với đáy ABCD là hình thang vuông tại A, đáy lớn $AD = 8$, $BC = 6$, $SA$ vuông góc với mặt phẳng $\left( {ABCD} \right)$, $SA = 6$. Gọi M là trung điểmAB. (P) là mặt phẳng qua M và vuông góc vớiAB. Thiết diện của (P) và hình chóp có diện tích bằng?
A. 10.
B. 20.
C. 15.
D. 16.
chuyên đề thiết diện 10.png

Do $\left( P \right) \bot AB \Rightarrow \left( P \right)\parallel SA$
Gọi I là trung điểm của $SB \Rightarrow MI\parallel SA \Rightarrow MI \subset \left( P \right)$
Gọi N là trung điểm của $CD \Rightarrow MN \bot AB \Rightarrow MN \subset \left( P \right)$
Gọi K là trung điểm của $SC \Rightarrow IK\parallel BC$, mà $MN\parallel BC \Rightarrow MN\parallel IK$
$ \Rightarrow IK \subset \left( P \right)$
Vậy thiết diện của (P) và hình chóp là hình thang MNKI vuông tại M
Ta có:
MI là đường trung bình của tam giác SAB $ \Rightarrow MI = \frac{1}{2}SA = 3$
IK là đường trung bình của tam giác SBC $ \Rightarrow IK = \frac{1}{2}BC = 3$
MN là đường trung bình của hình thang ABCD $ \Rightarrow MN = \frac{1}{2}\left( {AD + BC} \right) = 7$
Khi đó ${S_{MNKI}} = \frac{{IK + MN}}{2}.MI = \frac{{3 + 7}}{2}.3 = 15$
Vậy Chọn C.
Câu 11. Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác đều, $SA \bot \left( {ABC} \right)$. Gọi (P) là mặt phẳng qua B và vuông góc với SC. Thiết diện của (P) và hình chóp S.ABC là:
A. Hình thang vuông.
B. Tam giác đều.
C. Tam giác cân.
D. Tam giác vuông.
chuyên đề thiết diện 11.png

Gọi I là trung điểm của AC, kẻ $IH \bot SC$.
Ta có $BI \bot AC,\,BI \bot SA \Rightarrow BI \bot SC$.
Do đó $SC \bot \left( {BIH} \right)$ hay thiết diện là tam giác BIH.
Mà $BI \bot \left( {SAC} \right)$ nên $BI \bot IH$ hay thiết diện là tam giác vuông.
Chọn D
 

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