CHƯƠNG IV. QUAN HỆ SONG SONG TRONG KHÔNG GIAN

BÀI 10: ĐƯỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG TRONG KHÔNG GIAN

1. KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

Chú ý

- Để biểu diễn mặt phẳng ta thường dùng một hình bình hành và viết tên của mặt phẳng vào một góc của hình. Ta cũng có thể sử dụng một góc và viết tên của mặt phẳng ở bên trong góc đó.

- Để kí hiệu mặt phẳng ta dùng chữ cái in hoa hoặc chữ cái Hy Lạp đặt trong dấu ngoặc ( ). Trong hình 4.1 ta có mặt phẳng và mặt phẳng .

Câu hỏi

Một số hình ảnh của mặt phẳng trong thực tế: mặt bàn, mặt gương phẳng, mặt sàn phẳng, trần nhà phẳng,...

Hoạt động 1

- Ví dụ thêm: Một chấm mực trên tờ giấy trắng.

Kết luận

+ Điểm thuộc mặt phẳng , kí hiệu .

+ Điểm không thuộc mặt phẳng , kí hiệu .

Nếu ta còn nối nằm trên , hoặc chứa , hoặc đi qua .

Chú ý:

- Để nghiên cứu hình học không gian, ta thường vẽ các hình đó lên bảng hoặc lên giấy. Hình vẽ đó được gọi là hình biểu diễn của một hình không gian. Hình biểu diễn của một hình không gian cần tuân thủ những quy tắc sau:

- Hình biểu diễn của đường thẳng là đường thẳng, của đoạn thẳng là đoạn thẳng.

- Hình biểu diễn của hai đường thẳng song song là hai đường thẳng song song, của hai đường thẳng cắt nhau là hai đường thẳng cắt nhau.

- Hình biểu diễn giữ nguyên quan hệ liên thuộc giữa điểm và đường thẳng.

- Dùng nét vẽ liền để biểu diễn cho đường nhìn thấy và nét đứt đoạn để biểu diễn cho đường bị che khuất.

Các quy tắc khác sẽ được học ở phần sau.

Hình 4.3. Hình biểu diễn của hình chóp tam giác đều và hình lập phương.

2. CÁC TÍNH CHẤT THỪA NHẬN

Hoạt động 2

Không thể tìm được đường thẳng nào khác đi qua hai điểm đã cho ngoài đường thẳng tạo bởi xà ngang.

Kết luận

Có một và chỉ một đường thẳng đi qua hai điểm phân biệt.

Câu hỏi

Cho 3 điểm không thẳng hàng, để tạo được 1 đường thẳng từ 2 trong 3 điểm đó, ta lấy 2 điểm bất kì và xác định đường thẳng đi qua 2 điểm đó. Khi đó số đường thẳng tạo thành 3 đường thẳng.

Hoạt động 3

a) Khi đặt khối rubik sao cho ba đỉnh của mặt màu đỏ đều nằm trên mặt bàn, mặt màu đỏ của khối rubik nằm trên mặt bàn.

b) Không thể đặt khối rubik sao cho 4 đỉnh của nó đều nằm trên mặt bàn.

Kết luận

- Có một và chỉ một mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng.

- Tồn tại bốn điểm không cùng thuộc một mặt phẳng.

Nhận xét

Một mặt phẳng hoàn toàn xác định nếu biết ba điểm không thẳng hàng thuộc mặt phẳng đó. Ta kí hiệu mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng là . Nếu có nhiều điểm cùng thuộc một mặt phẳng thì ta nói những điểm đó đồng phẳng. Nếu không có mặt phẳng nào chứa các điểm đó thì ta nói những điểm đó không đồng phẳng.

Câu hỏi

Qua ba điểm thẳng hàng, ta xác định được duy nhất một đường thẳng. Có vô số mặt phẳng đi qua đường thẳng này nên có vô số mặt phẳng đi qua ba điểm thẳng hàng.

Ví dụ 1: (SGK – tr.72).

Hướng dẫn giải (SGK – tr.72).

Luyện tập 1

Vì 4 điểm tạo thành 1 tứ giác, khi đó 4 điểm đã đồng phẳng và tạo thành 1 mặt phẳng duy nhất là mặt phẳng

Vậy có 1 mặt phẳng thỏa mãn yêu cầu bài toán.

Vận dụng 1

Có một và chỉ một mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng. Do đó, khi thiết kế các đồ vật gồm ba chân như chân đỡ máy ảnh, giá treo tranh, kiềng ba chân treo nổi,... ta thấy các đồ vật này có thể đứng thẳng mà không bị đổ trên các bề mặt bởi vì các ba chân của các đồ vật này giống như 3 điểm không thẳng hàng.

Hoạt động 4

Căng một sợi dây sao cho hai đầu của sợi dây nằm trên mặt bàn. Khi đó, sợi dây nằm trên mặt bàn.

Kết luận

Nếu một đường thẳng có hai điểm phân biệt thuộc một mặt phẳng thì tất cả các điểm của đường thẳng đều thuộc mặt phẳng đó.

Chú ý

Nếu mọi điểm của đường thẳng d đều thuộc mặt phẳng thì ta nói đường thẳng d nằm trong hoặc chứa d. Khi đó ta kí hiệu là hoặc .

Ví dụ 2: (SGK – tr73).

Hướng dẫn giải (SGK – tr.73).

Luyện tập 2

Đường thẳng có hai điểm phân biệt =>

Vì =>

Ta có điểm Khi đó đường thẳng có hai điểm phân biệt =>

Hoạt động 5

Trong Hình 4.7, mặt nước và thành bể giao nhau theo đường thẳng.

Kết luận

Nếu hai mặt phẳng phân biệt có điểm chung thì các điểm chung của hai mặt phẳng là một đường thẳng đi qua điểm chung đó.

Chú ý

Đường thẳng chung (nếu có) của hai mặt phẳng phân biệt và được gọi là giao tuyến của hai mặt phẳng đó và kí hiệu là:

.

Ví dụ 3: (SGK – tr.74).

Hướng dẫn giải (SGK – tr.74).

- Muốn tìm giao tuyến của hai mặt phẳng ta cần xác định hai điểm chung của hai mặt phẳng đó.

Nhận xét

Trên mỗi mặt phẳng, tất cả các kết quả đã biết trong hình học phẳng đều đúng.

Luyện tập 3

Ta có hai đường thẳng và cắt nhau tại điểm .

Do đó, điểm => , điểm => Vậy là một điểm chung của

Vì S và A là hai điểm chung của nên giao tuyến của hai mặt phẳng này là đường thẳng SA. Ta viết

3. CÁC XÁC ĐỊNH MỘT MẶT PHẲNG

Kết quả

Một mặt phẳng được hoàn toàn xác định khi biết nó đi qua ba điểm không thẳng hàng.

Hoạt động 6

Đường thẳng d đi qua hai điểm phân biệt => đường thẳng hay chứa đường thẳng .

hay chứa điểm .

chứa các điểm nên chứa hai đường thẳng và .

Kết luận

+ Một mặt phẳng được hoàn toàn xác định khi biết nó đi qua một điểm và chứa một đường thẳng không đi qua điểm đó.

+ Một mặt phẳng được hoàn toàn xác định khi biết nó chứa hai đường thẳng cắt nhau.

Chú ý

Mặt phẳng được xác định bởi điểm và đường thẳng không chứa được kí hiệu là Mặt phẳng được xác định bởi hai đường thẳng cắt nhau và được kí hiệu là

Ví dụ 4: (SGK – tr.75).

Hướng dẫn giải (SGK – tr.75).

Luyện tập 4.

Gọi

=>

=>

Mà và nên giao tuyến của hai mặt phẳng đó là đường thẳng SL.

Vì nên

Vì nên Hai điểm và cùng thuộc và nên giao tuyến của hai mặt phẳng đó là đường thẳng .

Vận dụng 2

Phụ kiện hít cửa nam châm đại diện cho 1 điểm cố định, một cạnh của cánh cửa đại diện cho một đường thẳng không chứa điểm phụ kiện hít cửa nam châm. Chính vì vậy có một mặt phẳng được xác định khi phụ kiện hít cửa và một cạnh của cánh cửa, khi đó cánh cửa luôn được giữa cố định.

4. HÌNH CHÓP VÀ HÌNH TỨ DIỆN

Hoạt động 7

Các hình ảnh đã cho đều có các mặt bên là các tam giác có chung một đỉnh.

Kết luận

- Cho đa giác lồi và một điểm S nằm ngoài mặt phẳng chứa đa giác đó. Nối S với các đỉnh để được tam giác . Hình gồm tam giác và đa giác được gọi là hình chóp và kí hiệu là .

- Trong hình chóp , điểm S được gọi là đỉnh và đa giác được gọi là mặt đáy, các tam giác

được gọi là các mặt bên; các cạnh được gọi là các cạnh bên; các cạnh được gọi là các cạnh đáy.

Chú ý

Tên của hình chóp được gọi dựa theo tên của đa giác đáy, ví dụ hình chóp có đáy là tứ giác được gọi là hình chóp tứ giác.

Ví dụ 5: (SGK – tr.76).

Hướng dẫn giải (SGK – tr.76).

Luyện tập 5.

Hình chóp có

+ Bốn mặt bên là các tam giác

+ Một mặt đáy là tứ giác .

Hoạt động 8

Trong các hình chóp ở HĐ7, hình chóp thứ ba tính từ trái sang (hình khối rubik) có ít mặt nhất.

Hình chóp này có 6 cạnh và 4 mặt.

Kết luận

- Cho bốn điểm không đồng phẳng. Hình gồm bốn tam giác và được gọi là hình tứ diện, kí hiệu là .

- Trong hình tứ diện

+ Các điểm : các đỉnh của tứ diện,

+ Các đoạn thẳng , : các cạnh của tứ diện,

+ Các tam giác : các mặt của tứ diện.

- Trong hình tứ diện, hai cạnh không có đỉnh chung được gọi là hai cạnh đối diện, đỉnh không nằm trên một mặt được gọi là đỉnh đối diện với mặt đó.

Nhận xét

Hình tứ diện là một hình chóp tam giác mà mặt nào của hình tứ diện cũng có thể được coi là mặt đáy.

Ví dụ 6: (SGK – tr.76).

Hướng dẫn giải (SGK – tr.76).

Luyện tập 6

=> .

A, E =>

=>

=> .

Trong :

Mà

=> .

Vậy

Bài tập

Bài tập 4.1

a) Mệnh đề a) là mệnh đề sai vì đường thẳng có thể cắt

b) Mệnh đề b) là mệnh đề đúng (theo tính chất thừa nhận).

c) Mệnh đề c) là mệnh đề đúng.

Giả sử giao điểm của và là , vì thuộc và nằm trong nên thuộc

d) Mệnh đề d) là mệnh đề sai.

Chẳng hạn trường hợp như trong hình dưới đây có thể xảy ra: đường thẳng cắt đường thẳng tại giao điểm nhưng đường thẳng không nằm trong mặt phẳng

Bài tập 4.3.

Giả sử

Vì =>

Vì =>

Đường thẳng có hai điểm phân biệt và cùng thuộc mặt phẳng nên tất cả các điểm của đường thẳng c đều thuộc hay đường thẳng nằm trong mặt phẳng

Bài tập 4.5.

a)

+) Vì => . =>

=> .

Trong : . Do

=> và

=> .

Vậy .

+) Vì => .

=>

=>

Trong : . Do

=> .

Vậy .

b)

+) => mà =>

Lại có:

=>

=>

=> .

+) Vì

=> .

Lại có: =>

Vì =>

Vậy

+)

=>

Lại có: => =>

Vì =>

Vậy

+)

Vì =>

Lại có: => và =>

Vậy

+) ;

Do đó

Lại có:

Vậy