Trong không gian Oxyz cho trước với mặt nước phẳng lặng trùng với mặt phẳng ( Oxy ) , đơn vị trên mỗi trục là mét; một chú chim bói cá đang đậu trên một cành cây ở vị trí A ( 0 ; 0 ; 5 )
15/22
Trong không gian \(Oxyz\) cho trước với mặt nước phẳng lặng trùng với mặt phẳng \((Oxy)\), đơn vị trên mỗi trục là mét; một chú chim bói cá đang đậu trên một cành cây ở vị trí \(A(0;0;5)\) tiến hành bay xuống để thám thính ngang qua trên mặt hồ nước đến đậu trên một cành cây khác tại vị trí \(B(4;0;4)\) theo quỹ đạo là một cung tròn hoàn hảo nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt nước đi qua điểm \(M\) thỏa mãn \(\widehat {AMB} = {135^ \circ }\) (Điểm \(M\) như hình vẽ bên dưới).
Quỹ đạo bay của chim bói cá thuộc mặt phẳng \(y = 0\).
Đường tròn chứa quỹ đạo bay của chim bói cá có tâm \(I\left( {\frac{3}{2};0;\frac{5}{2}} \right)\).
Khoảng cách ngắn nhất mà chim bói cá bay xuống sát với mặt nước nhất là \(3,58\,{\rm{m}}\)(làm tròn đến hang phần trăm).
Biết rằng vận tốc của con chim bói cá là \(2\;{\rm{m}}/{\rm{s}}\) thì thời gian chim bói cá bay từ điểm \(A(0;0;5)\) tới điểm gần mặt nước nhất mất \(1,5\,\,{\rm{s}}\) (làm tròn đến hàng phần chục).
a) Đúng, Vì quỹ đạo bay của chim bói cá thuộc mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng \(\left( {Oxy} \right)\) nên sẽ có phương trình là \(ax + by + c = 0\) (trong đó \(a,b\) không đồng thời bằng 0).
Vì mặt phẳng đi qua 2 điểm \(A(0;0;5)\) và \(B(4;0;4)\) nên ta có hệ \(\left\{ \begin{array}{l}c = 0\\4a + c = 0\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}c = 0\\a = 0\end{array} \right.\)
Nên quỹ đạo bay của chim bói cá thuộc mặt phẳng \(y = 0\).
b) Sai, Đường tròn chứa quỹ đạo bay của chim bói cá có phương trình là \({x^2} + {z^2} - 2ax - 2bz + c = 0\) điều kiện \({a^2} + {b^2} - c > 0\).
Vì đường tròn đi qua các điểm \(A(0;0;5)\), \(B(4;0;4)\)nên ta có hệ phương trình
\(\left\{ \begin{array}{l}0a - 10b + c = - 25\\ - 8a - 8b + c = - 32\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}c = 10b - 25\\ - 8a + 2b = - 7\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}c = 10b - 25\\a = \frac{1}{4}b + \frac{7}{8}\end{array} \right.\).
Vì đường tròn đi qua điểm \(M\) thỏa mãn \(\widehat {AMB} = {135^ \circ }\) nên cung suy ra tam giác \(AIB\) vuông cân tại \(I\) suy ra \(R = \frac{{AB}}{{\sqrt 2 }} = \sqrt {\frac{{17}}{2}} \Rightarrow {a^2} + {b^2} - c = \frac{{17}}{2}\).
Suy ra \[{\left( {\frac{1}{4}b + \frac{7}{8}} \right)^2} + {b^2} - 10b + 25 = \frac{{17}}{2} \Rightarrow \frac{{17}}{{16}}{b^2} - \frac{{153}}{{16}}b + \frac{{1105}}{{64}} = 0 \Rightarrow \left[ \begin{array}{l}b = \frac{{13}}{2}\\b = \frac{5}{2}\end{array} \right.\].
Với \(b = \frac{{13}}{2}\) thì \(a = \frac{5}{2},c = 40\) đường tròn chứa quỹ đạo bay của chim bói cá có tâm \(I\left( {\frac{5}{2};0;\frac{{13}}{2}} \right).\)
Với \(b = \frac{5}{2}\) thì \(a = \frac{3}{2},c = 0\) đường tròn chứa quỹ đạo bay của chim bói cá có tâm \(I\left( {\frac{3}{2};0;\frac{5}{2}} \right).\)
Nhưng do đường tròn chứa cung như hình vẽ cao độ sẽ lớn hơn cao độ của điểm \(B\) nên ta nhận đường tròn chứa quỹ đạo bay của chim bói cá có tâm \(I\left( {\frac{5}{2};0;\frac{{13}}{2}} \right)\).
c) Đúng, Vì giao điểm của hai mặt phẳng \(\left( {Oxz} \right)\) và \(\left( {Oxy} \right)\) là trục \(Ox\) nên khoảng cách ngắn nhất mà chim bói cá bay xuống sát với mặt nước nhất là \(d = d\left( {I,Ox} \right) - R = \frac{{13}}{2} - \sqrt {\frac{{17}}{2}} \approx 3,58\,\left( {\rm{m}} \right)\).
d) Đúng, Điểm gần mặt nước nhất là điểm thấp nhất trên cung tròn (đỉnh vòm). Gọi là \(H\).
Ta cần tính độ dài cung\(AH\).
Xét tam giác \(IAH\) trong mặt phẳng quỹ đạo. \(I\left( {\frac{5}{2};0;\frac{{13}}{2}} \right),A\left( {0;0;5} \right)\)\( \Rightarrow \overrightarrow {IA} = \left( { - \frac{5}{2};0; - \frac{3}{2}} \right)\).
Vector chỉ hướng thẳng đứng xuống dưới từ tâm là \(\overrightarrow v = (0;0; - 1)\).
Góc quay \(\alpha \) từ \(A\) đến điểm thấp nhất \(H\) được tính qua cosin góc giữa \(IA\) và trục thẳng đứng: \(\cos \alpha = \frac{{\left| {{z_{IA}}} \right|}}{R} = \frac{{1,5}}{{\sqrt {\frac{{17}}{2}} }}\).
Suy ra \(\alpha = \arccos \left( {\frac{{1,5}}{{\sqrt {8,5} }}} \right) \approx 1,03{\mathop{\rm rad}\nolimits} \).
Độ dài cung \(L = R \cdot \alpha = \sqrt {8,5} \cdot 1,03 \approx 2,915 \cdot 1,03 \approx 3,00\;{\rm{m}}\).
Thời gian bay \(t = \frac{L}{v} = \frac{{3,00}}{2} = 1,5\) giây.