10 bài tập Một số dạng toán thực tế liên quan đến Công thức tính góc trong không gian (có lời giải)

Đường thẳng d và d' có vectơ chỉ phương lần lượt là \(\vec a = (2;1; - 1),\overrightarrow {{a^\prime }}  = (3;3;9)\)

Ta có \(\cos \left( {d,{d^\prime }} \right) = \frac{{|2.3 + 1 \cdot 3 + ( - 1) \cdot 9|}}{{\sqrt {{2^2} + {1^2} + {1^2}}  \cdot \sqrt {{3^2} + {3^2} + {9^2}} }} = \frac{0}{{3\sqrt {66} }} = 0\). Suy ra d,d'=90°

Đường thẳng d có vectơ chỉ phương là \(\vec a = (0;1;1)\)

Mặt phẳng \(({\rm{P}})\) có vectơ pháp tuyến là \(\vec n = (0;0;1)\)

\(\sin (d,(P)) = \frac{{|0.0 + 1.0 + 1 \cdot 1|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2}}  \cdot \sqrt {{1^2}} }} = \frac{1}{{\sqrt 2 }}\). Suy ra (d,(P))=45°

Mặt phẳng \(({\rm{P}})\) có vectơ pháp tuyến \(\vec n = (4;0;11)\)

Mặt phẳng \(({\rm{Q}})\) có vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow {{n^\prime }}  = (0;0;1)\)

Có \(\cos ((P),(Q)) = \frac{{|4.0 + 0.0 + 11.1|}}{{\sqrt {{4^2} + {{11}^2}}  \cdot \sqrt {{1^2}} }} = \frac{{11}}{{\sqrt {173} }}\). Suy ra ((P),(Q))≈33,25°

a) Mặt phảng \(({\rm{P}})\) có vectơ pháp tuyến là \(\vec n = (2;0;2)\)

Mặt phắng \(\left( {{{\rm{P}}^\prime }} \right)\) có vectơ pháp tuyến là \(\overrightarrow {{n^\prime }}  = (1;0;1)\)

\(\cos \left( {(P),\left( {{P^\prime }} \right)} \right) = \frac{{|2.1 + 0.0 + 2.1|}}{{\sqrt {{2^2} + {2^2}}  \cdot \sqrt {{1^2} + {1^2}} }} = \frac{4}{4} = 1\). Suy ra ((P),(P’)) =0°.

b) Mặt phẳng \((Q)\) có vectơ pháp tuyến là \(\overrightarrow {{n_Q}}  = (0;0;1)\)

\(\cos ((P),(Q)) = \frac{{|2.0 + 0.0 + 2.1|}}{{\sqrt {{2^2} + {2^2}}  \cdot \sqrt {{1^2}} }} = \frac{2}{{2\sqrt 2 }} = \frac{1}{{\sqrt 2 }}{\rm{. }}\) Suy ra ((P), (Q)) =45°.

\(\cos \left( {\left( {{P^\prime }} \right),(Q)} \right) = \frac{{|1.0 + 0.0 + 1.1|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2}}  \cdot \sqrt 1 }} = \frac{1}{{\sqrt 2 }}{\rm{. }}\)Suy ra P',(Q)=45°.

Mặt phắng ( \({{\rm{O}}^\prime }{\rm{BC}}\) ) có phương trình đoạn chắn là: \(\frac{x}{3} + \frac{y}{1} + \frac{z}{2} = 1 \Leftrightarrow 2{\rm{x}} + 6{\rm{y}} + 3{\rm{z}} = 6\) có vectơ pháp tuyến \(\vec n = (2;6;3)\)

\(\cos \left( {\left( {{O^\prime }BC} \right),(OBC)} \right) = \frac{{|3|}}{{\sqrt 1  \cdot \sqrt {{2^2} + {6^2} + {3^2}} }} = \frac{3}{7}\).  Suy ra O'BC,(OBC)≈64,62°.

c) Đường thằng \({B^\prime }C\) nhận \(\overrightarrow {{B^\prime }C}  = ( - 3;1; - 2)\) làm vectơ chỉ phương.

Mặt phẳng ( O ' BC ) có vectơ pháp tuyến \(\vec n = (2;6;3)\)

\(\sin \left( {{B^\prime }C,\left( {{O^\prime }BC} \right)} \right) = \frac{{|( - 3) \cdot 2 + 1 \cdot 6 + ( - 2) \cdot 3|}}{{\sqrt {{{( - 3)}^2} + {1^2} + {{( - 2)}^2}}  \cdot \sqrt {{2^2} + {6^2} + {3^2}} }} = \frac{6}{{7\sqrt {14} }}\). Suy ra B'C,O'BC≈13,24°.

a) Do điểm \(C(0;0;5)\) nên \(AC = \sqrt {{{(3 - 0)}^2} + {{( - 4 - 0)}^2} + {{(2 - 5)}^2}}  = \sqrt {34} (\;{\rm{m}})\);

\(BC = \sqrt {{{( - 5 - 0)}^2} + {{( - 2 - 0)}^2} + {{(1 - 5)}^2}}  = \sqrt {45}  = 3\sqrt 5 (\;{\rm{m}}){\rm{. }}\)

b) Ta có: \(\overrightarrow {OA}  = (3; - 4;2),\overrightarrow {OB}  = ( - 5; - 2;1)\) nên \([\overrightarrow {OA} ,\overrightarrow {OB} ] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{l}}{ - 4}&2\\{ - 2}&1\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}2&3\\1&{ - 5}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}3&{ - 4}\\{ - 5}&{ - 2}\end{array}} \right|} \right) = (0; - 13; - 26){\rm{. }}\)

Vì thế, vectơ \(\vec n = (0;1;2)\) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((OAB)\).

Mặt khác, do \(\overrightarrow {CA}  = (3; - 4; - 3),\overrightarrow {BC}  = (5;2;4)\) nên ta có:

- \(\sin (CA,(OAB)) = |\cos (\overrightarrow {CA} ,\vec n)| = \frac{{|\overrightarrow {CA}  \cdot \vec n|}}{{|\overrightarrow {CA} | \cdot |\vec n|}} = \frac{{|3 \cdot 0 + ( - 4) \cdot 1 + ( - 3) \cdot 2|}}{{\sqrt {34}  \cdot \sqrt 5 }} = \frac{{10}}{{\sqrt {170} }}\),

suy ra (CA,(OAB))≈50°. Vậy góc tạo bởi dây neo CA và mặt phẳng sườn núi là khoảng 50°.

\({\rm{  -  }}\sin (BC,(OAB)) = |\cos (\overrightarrow {BC} ,\vec n)| = \frac{{|\overrightarrow {BC}  \cdot \vec n|}}{{|\overrightarrow {BC} | \cdot |\vec n|}} = \frac{{|5 \cdot 0 + 2 \cdot 1 + 4 \cdot 2|}}{{3\sqrt 5  \cdot \sqrt 5 }} = \frac{2}{3}{\rm{, }}\)

suy ra (BC,(OAB))≈42°. Vậy góc tạo bởi dây neo BC và mặt phẳng sườn núi là khoảng 42°.

a) Phương trình chính tắc của đường cáp là: \(\frac{{x - 10}}{2} = \frac{{y - 3}}{{ - 2}} = \frac{z}{1}\).

b) Do tốc độ chuyển động của cabin là \(4,5\;{\rm{m}}/{\rm{s}}\) nên độ dài AM bằng \(4,5t(\;{\rm{m}})\). Vì vậy \(|\overrightarrow {AM} | = 4,5t(t \ge 0)\).

Do hai vectơ \(\overrightarrow {AM} \) và \(\vec u\) là cùng phương và cùng hướng nên \(\overrightarrow {AM}  = k\vec u\) với \(k\) là số thực dương nào đó. Suy ra: \(|\overrightarrow {AM} | = k|\vec u| = k \cdot \sqrt {{2^2} + {{( - 2)}^2} + 1}  = 3k\). Do đó \(3k = 4,5t\). Suy ra \(k = \frac{{3t}}{2}\). Vì thế, ta có: \(\overrightarrow {AM}  = \frac{{3t}}{2}\vec u = \left( {3t; - 3t;\frac{{3t}}{2}} \right)\).

Gọi toạ độ của điểm \(M\) là \(\left( {{x_M};{y_M};{z_M}} \right)\).

Do \(\overrightarrow {AM}  = \left( {{x_M} - {x_A};{y_M} - {y_A};{z_M} - {z_A}} \right) = \left( {3t; - 3t;\frac{{3t}}{2}} \right)\) nên \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_M} = 3t + {x_A}}\\{{y_M} =  - 3t + {y_A}}\\{{z_M} = \frac{{3t}}{2} + {z_A}}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_M} = 3t + 10}\\{{y_M} =  - 3t + 3}\\{{z_M} = \frac{{3t}}{2}.}\end{array}} \right.} \right.\)

Vậy điểm \(M\) có toạ độ là \(\left( {3t + 10; - 3t + 3;\frac{{3t}}{2}} \right)\).

c) Do \({x_B} = 550\) nên \(3t + 10 = 550\), tức là \(t = 180\) (s). Do đó, ta có điểm \(B(550; - 537;270)\).

Vậy \(AB = \sqrt {{{(550 - 10)}^2} + {{( - 537 - 3)}^2} + {{(270 - 0)}^2}}  = \sqrt {656100}  = 810(\;{\rm{m}})\).

d) Đường thẳng AB có vectơ chỉ phương \(\vec u = (2; - 2;1)\) và mặt phẳng (Oxy) có vectơ pháp tuyến \(\vec k = (0;0;1)\). Do đó, ta có: \(\sin (\Delta ,(Oxy)) = |\cos (\vec u,\vec k)| = \frac{{|\vec u \cdot \vec k|}}{{|\vec u| \cdot |\vec k|}} = \frac{1}{{3 \cdot 1}} = \frac{1}{3}.\) Vậy (Δ,(Oxy))≈19°

Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ với O là trung điếm của AC .

Ta có: \(A(0; - 2;0),B(2\sqrt 3 ;0;0),C(0;2;0),{A^\prime }(0; - 2;7),{B^\prime }(2\sqrt 3 ;0;6),{C^\prime }(0;2;5)\).

Ta có \(\overrightarrow {AB}  = (2\sqrt 3 ;2;0),\overrightarrow {AC}  = (0;4;0),\overrightarrow {{A^\prime }{B^\prime }}  = (2\sqrt 3 ;2; - 1),\overrightarrow {{A^\prime }{C^\prime }}  = (0;4; - 2)\)

Có \([\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{l}}2&0\\4&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{2\sqrt 3 }\\0&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2\sqrt 3 }&2\\0&4\end{array}} \right|} \right) = (0;0;8\sqrt 3 )\)

\(\left[ {\overrightarrow {{A^\prime }{B^\prime }} ,\overrightarrow {{A^\prime }{C^\prime }} } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}2&{ - 1}\\4&{ - 2}\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 1}&{2\sqrt 3 }\\{ - 2}&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2\sqrt 3 }&2\\0&4\end{array}} \right|} \right) = (0;4\sqrt 3 ;8\sqrt 3 )\)

Mặt phẳng \(({\rm{ABC}})\) có một vectơ pháp tuyến là \(\frac{1}{{8\sqrt 3 }}[\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ] = (0;0;1)\)

Mặt phắng ( \(\left. {{A^\prime }{B^\prime }{C^\prime }} \right)\) có một vectơ pháp tuyến là \(\frac{1}{{4\sqrt 3 }}\left[ {\overrightarrow {{A^\prime }{B^\prime }} ,\overrightarrow {{A^\prime }{C^\prime }} } \right] = (0;1;2)\)

Do đó cos(ABC),A'B'C'=|2|1⋅1+4=25⇒(ABC),A'B'C'≈26,6°Suy ra mái nhà nghiêng với mặt sàn nhà một góc khoáng 26,6⁰

Gọi O là giao điểm của AC và BD . Suy ra O là trung điếm của \({\rm{AC}},{\rm{BD}}\).

Vì các tam giác SAC, SBD đều cân tại S, SO là trung tuyến nên SO đồng thời là đường cao.

Suy ra \(SO \bot AC\), \(SO \bot BD\) nên \(SO \bot (ABCD)\).

Chọn hệ tọa độ như hình vẽ.

Vi ABCD là hình vuông cạnh 230 m nên \({\rm{OA}} = {\rm{OB}} = {\rm{OC}} = {\rm{OD}} = 115\sqrt 2 \).

Xét tam giác SOB vuông tại \(O\), có \(SO = \sqrt {S{B^2} - O{B^2}}  = \sqrt {{{219}^2} - {{(115\sqrt 2 )}^2}}  = 7\sqrt {439} \)

Ta có \(A( - 115\sqrt 2 ;0;0),B(0; - 115\sqrt 2 ;0),C(115\sqrt 2 ;0;0),S(0;0;7\sqrt {439} )\)

Ta có \(\overrightarrow {SA}  = ( - 115\sqrt 2 ;0; - 7\sqrt {439} ),\overrightarrow {SB}  = (0; - 115\sqrt 2 ; - 7\sqrt {439} )\),

\(\begin{array}{l}\overrightarrow {SC}  = (115\sqrt 2 ;0; - 7\sqrt {439} )\\{\rm{Ta c\'o  }}[\overrightarrow {SA} ,\overrightarrow {SB} ] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{ - 7\sqrt {439} }\\{ - 115\sqrt 2 }&{ - 7\sqrt {439} }\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 7\sqrt {439} }&{ - 115\sqrt 2 }\\{ - 7\sqrt {439} }&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 115\sqrt 2 }&0\\0&{ - 115\sqrt 2 }\end{array}} \right|} \right)\\ = ( - 805\sqrt {878} ; - 805\sqrt {878} ;26450)\end{array}\)

\([\overrightarrow {SB} ,\overrightarrow {SC} ] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 115\sqrt 2 }&{ - 7\sqrt {439} }\\0&{ - 7\sqrt {439} }\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 7\sqrt {439} }&0\\{ - 7\sqrt {439} }&{115\sqrt 2 }\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{ - 115\sqrt 2 }\\{115\sqrt 2 }&0\end{array}} \right|} \right) = (805\sqrt {878} ; - 805\sqrt {878} ;26450)\)

Mặt phắng (SAB) nhận \(\vec n = \frac{1}{5}[\overrightarrow {SA} ,\overrightarrow {SB} ] = ( - 161\sqrt {878} ; - 161\sqrt {878} ;5290)\) làm vectơ pháp tuyến.

Mặt phắng (SBC) nhận \(\overrightarrow {{n^\prime }}  = \frac{1}{5}[\overrightarrow {SB} ,\overrightarrow {SC} ] = (161\sqrt {878} ; - 161\sqrt {878} ;5290)\) làm vectơ pháp tuyến.

Do đó

\(\begin{array}{l}\cos ((SAB),(SBC)) = \frac{{\left| { - {{(161\sqrt {878} )}^2} + {{(161\sqrt {878} )}^2} + {{5290}^2}} \right|}}{{\sqrt {{{( - 161\sqrt {878} )}^2} + {{( - 161\sqrt {878} )}^2} + {{5290}^2}}  \cdot \sqrt {{{(161\sqrt {878} )}^2} + {{( - 161\sqrt {878} )}^2} + {{5290}^2}} }}\\ = \frac{{{{5290}^2}}}{{{{(161\sqrt {878} )}^2} + {{( - 161\sqrt {878} )}^2} + {{5290}^2}}} \approx 0,3807\end{array}\)

Suy ra ((SAB),(SBC))≈67,6°. Vậy góc giữa hai mặt phắng (SAB) và (SBC) khoảng 67,6°

a) Chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ.

\(40\;{\rm{cm}} = 0,4\;{\rm{m}},44\;{\rm{cm}} = 0,44\;{\rm{m}},48\;{\rm{cm}} = 0,48\;{\rm{m}}{\rm{. }}\)

Khi đó ta có \({\rm{A}}(0;1;0,4),{\rm{B}}(1;1;0,44),{\rm{C}}(1;0;0,48)\).

Có \(\overrightarrow {AB}  = (1;0;0,04)\). Vi ABCD là hình bình hành nên \(\overrightarrow {AB}  = \overrightarrow {DC}  \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{1 - {x_D} = 1}\\{ - {y_D} = 0}\\{0,48 - {z_D} = 0,04}\end{array}} \right.\)\( \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_D} = 0}\\{{y_D} = 0}\\{{z_D} = 0,44}\end{array}} \right.\)

Suy ra \(D(0;0;0,44)\).

Vậy khoảng cách từ điểm \(D\) đến đáy bể là 44 cm .

b) Ta có đáy bể nằm trong mặt phẳng \({\rm{Oxy}}:z = 0\) có vectơ pháp tuyến \(\vec k = (0;0;1)\)

Ta có \(\quad \overrightarrow {AB}  = (1;0;0,04),\quad \overrightarrow {AC}  = (1; - 1;0,08)\), \([\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ] = (0,04; - 0,04; - 1)\)

Mặt phẳng \((ABCD)\) đi qua \({\rm{A}}(0;1;0,4)\) và có vectơ pháp tuyến \(\vec n = [\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ] = (0,04; - 0,04; - 1)\) có phương trình là: \(0,04x - 0,04(y - 1) - (z - 0,4) = 0 \Leftrightarrow 0,04x - 0,04y - z + 0,44 = 0.{\rm{ }}\)

Do đó góc giữa đáy bể và mặt phẳng nằm ngang chính là góc giữa mặt phẳng (ABCD) và mặt đáy.

\({\rm{ C\'o  }}\cos ((ABCD),(Oxy)) = \frac{{| - 1|}}{{\sqrt 1  \cdot \sqrt {{{0,04}^2} + {{( - 0,04)}^2} + {{( - 1)}^2}} }} = \frac{{25}}{{\sqrt {627} }}\). Suy ra ((ABCD),(Oxy))≈3,2°

a) Đường thẳng AB đi qua điếm \({\rm{A}}(3,5; - 2;0,4)\) và nhận \(\overrightarrow {AB}  = (0;7,5; - 0,4)\) làm vectơ chỉ phương.

Phương trình tham số của đường thắng AB là: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{x = 3,5}\\{y =  - 2 + 7,5t{\rm{ (t là tham số)}}{\rm{. }}}\\{z = 0,4 - 0,4t}\end{array}} \right.\)

Lưu ý: Ta có thế chọn điếm đi qua là \(B\) đế viết phương trình tham số hoặc có thế viết phương trinh chính tắc của đường thằng AB

b) Mặt phẳng nằm ngang (\({\rm{O}}x{\rm{y}})\) có vectơ pháp tuyến là \(\vec k = (0;0;1)\).

Ta có \(\sin (AB,(Oxy)) = \frac{{|0 - 0 + 7,5 \cdot 0 + ( - 0,4) \cdot 1|}}{{\sqrt {{0^2} + {{(7,5)}^2} + {{( - 0,4)}^2}}  \cdot \sqrt {{0^2} + {0^2} + {1^2}} }} \approx 0,053\).

Suy ra (AB,(Oxy))≈3°∈2,5°;3,5°. Vậy góc trượt nằm trong phạm vi cho phép.

c) Ta có \(\overrightarrow {MN}  = ( - 5; - 5;0),\overrightarrow {MP}  = ( - 5;0;0,5)\).

Xét vectơ \(\quad \vec n = [\overrightarrow {MN} ,\overrightarrow {MP} ] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 5}&0\\0&{0,5}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{ - 5}\\{0,5}&{ - 5}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - 5}&{ - 5}\\{ - 5}&0\end{array}} \right|} \right)\), hay \(\vec n = ( - 2,5;2,5; - 25)\)

Khi đó \(\vec n\) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (MNP) hay chính là mặt phắng (a).

Phương trình mặt phắng (a) là: \( - 2,5(x - 5) + 2,5(y - 0) - 25(z - 0) = 0 \Leftrightarrow x - y + 10z - 5 = 0.\)

Vi C là vị trí mà máy bay xuyên qua đám mây đế hạ cánh nên C là giao điếm của đường thẳng AB và mặt phắng \((a)\).

Vi \(C \in AB\) nên gọi tọa độ điếm C là \({\rm{C}}(3,5; - 2 + 7,5{\rm{t}};0,4 - 0,4{\rm{t}})\).

Lại có \(C \in ({\rm{a}})\) nên ta có \(3,5 - ( - 2 + 7,5{\rm{t}}) + 10(0,4 - 0,4{\rm{t}}) - 5 = 0\), suy ra \({\rm{t}} = \frac{9}{{23}}\).

Vậy \( \subset \left( {3,5;\frac{{43}}{{46}};\frac{{28}}{{115}}} \right)\).

d) Vi \(D \in AB\) nên gọi tọa độ điếm \(D\) là \(D(3,5; - 2 + 7,5t;0,4 - 0,4t)\).

D là vị trí mà máy bay ở độ cao 120 m , tức là khoảng cách từ D đến mặt phẳng (Oxy) bẳng 120 m và bằng \(0,12\;{\rm{km}}\).

Ta có \({\rm{d}}({\rm{D}},({\rm{Oxy}})) = \frac{{\left| {0,4 - 0,4{t^\prime }} \right|}}{{\sqrt {{0^2} + {0^2} + {1^2}} }} = \left| {0,4 - 0,4{t^\prime }} \right|\).

Khi đó, \(\left| {0,4 - 0,4{{\rm{t}}^\prime }} \right| = 0,12 \Rightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{l}}{0,4 - 0,4{t^\prime } = 0,12}\\{0,4 - 0,4{t^\prime } =  - 0,12}\end{array} \Rightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{l}}{{t^\prime } = 0,7}\\{{t^\prime } = 1,3}\end{array}} \right.} \right.\).

Với t' \( = 0,7\), ta có \(D(3,5;3,25;0,12)\).

Với t' \( = 1,3\), ta có \(D(3,5;7,75; - 0,12)\).

Vi D là vị trí độ cao của máy bay nên ta chọn $D(3,5 ; 3,25 ; 0,12)$.

e) Ta có \(DE = \sqrt {{{(3,5 - 3,5)}^2} + {{(4,5 - 3,25)}^2} + {{(0 - 0,12)}^2}}  \approx 1,256(\;{\rm{km}})\)

Vì tầm nhìn xa của phi công sau khi ra khỏi đám mây là \(900\;{\rm{m}} = 0,9\;{\rm{km}} < 1,256\;{\rm{km}}\) nên người phi công đó không đạt được quy định an toàn bay.