10 bài tập Vận dụng phương trình mặt cầu vào giải quyết bài toán liên quan đến thực tiễn có lời giải
10 câu hỏi
Trong không gian Oxyz (đơn vị đo là cm), mặt sàn nhà đa năng thuộc mặt phẳng Oxy. Một quả cầu bằng nhựa nằm trên mặt sàn nhà đa năng và có tâm I(12; 20; 50). Khi đó, mặt ngoài của quả cầu nhựa (S) có phương trình là:
(x – 12)2 + (y − 20)2 + (z – 50)2 = 122;
(x + 12)2 + (y + 20)2 + (z + 50)2 = 122;
(x − 12)2 + (y − 20)2 + (z − 50)2 = 202;
(x − 12)2 + (y − 20)2 + (z − 50)2 = 502.
Đáp án đúng là: D
Do quả cầu nằm trên mặt sàn nha đa năng nên mặt ngoài của quả cầu tiếp xúc với mặt phẳng Oxy.
Ta có d(I, (Oxy)) = R = 50.
Vậy mặt ngoài của quả cầu (S) có phương trình là
(x – 12)2 + (y – 20)2 + (z – 50)2 = 502.
Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz (đơn vị trên mỗi trục là km), một ngọn hải đăng được đặt ở vị trí I(1; 5; 5) như hình vẽ. Ngọn hải đăng được thiết kế với bán kính phủ sáng là 5 km.
Một người đi biển di chuyển theo đường thẳng từ vị trí I(1; 5; 5) đến vị trí A(7; 14; 11). Điểm nào sau đây mà người đi biển đi qua và vẫn thuộc vùng phủ sáng của ngọn hải đăng.
M(3; 8; 7);
N(0; 4; 8);
P(7; 3; 0);
(7; 11; 3).
Đáp án đúng là: A
Phương trình mặt cầu để mô tả ranh giới bên ngoài của vùng phủ sáng trong không gian là: (x – 1)2 + (y – 5)2 + (z – 5)2 = 25.
Ta có \(\overrightarrow {IM} = \left( {2;3;2} \right),\overrightarrow {IA} = \left( {6;9;6} \right) = 3\overrightarrow {IM} \)
Và \(IM = \sqrt {{{\left( {3 - 1} \right)}^2} + {{\left( {8 - 5} \right)}^2} + {{\left( {7 - 5} \right)}^2}} = \sqrt {17} < 5\) nên điểm M nằm trong mặt cầu.
Vậy người đi biển đi qua điểm M mà vẫn thuộc vùng phủ sáng.
>
Một máy Rađa có tầm hoạt động với bán kính tối đa là 20 km. Ta xét trong không gian Oxyz với tâm O là vị trí máy Rađa, 1 đơn vị dài trong không gian tương ứng với 10 km trên thực tế. Hỏi trong không gian Oxyz trên, vật thể có tọa độ tương ứng với đáp án nào dưới đây sẽ bị Rađa phát hiện?
M(1; 0; 2);
N(2; −1; 1);
P(1; 1; \(\sqrt 2 \));
(3; 0; 0).
Đáp án đúng là: C
Ta thấy quỹ đạo của Rađa là một khối cầu giới hạn bởi mặt cầu (S) có tâm là vị trí Rađa có tọa độ là O(0; 0; 0) và bán kính R = 2.
Do đó ta có phương trình mặt cầu (S): x2 + y2 + z2 = 4.
Vật thể bắt đầu bị phát hiện khi nó nằm trong hoặc trên mặt cầu (S).
Trong các đáp án trên thì ta thấy đáp án C thỏa mãn phương trình mặt cầu (S) các đáp án còn lại đều nằm ngoài (S).
Trong không gian Oxyz (đơn vị trên các trục tọa độ là km), một trạm thu phát sóng điện thoại di động có đầu thu phát được đặt tại điểm I(−6; −1; 4). Cho biết bán kính phủ sóng của trạm là 2 km. Người sử dụng điện thoại đứng ở điểm nào sau đây thì sử dụng được dịch vụ của trạm nói trên?
A(−4; 0; 2);
B(−5; −2; 5);
C(−6; 2; 2);
D(0; −1; 4).
Đáp án đúng là: B
Ta có IA = 3 > 2, \(IB = \sqrt 3 < 2,IC = \sqrt {13} > 2,ID = 6 > 2\).>
Vậy người đứng tại điểm B nằm trong mặt cầu sẽ sử dụng được dịch vụ của trạm thu phát sóng điện thoại di động.
Trong không gian hệ trục tọa độ Oxyz, bề mặt của một quả bóng thám không dạng hình cầu có phương trình x2 + y2 + z2 – 200x – 600y – 4000z + 4099900 = 0. Tìm tâm và bán kính mặt cầu.
Tâm I(100; 300; 2000), R = 100;
Tâm I(−100; −300; −2000), R = 10;
Tâm I(100; 300; 2000), R = 10;
Tâm I(−100; −300; −2000), R = 100.
Đáp án đúng là: C
Tâm của mặt cầu là I(100; 300; 2000),
Bán kính \(R = \sqrt {{{100}^2} + {{300}^2} + {{2000}^2} - 4099900} = 10\).
Trong không gian hệ trục tọa độ Oxyz (đơn vị trên mỗi trục là km) một trạm phát sóng điện thoại của nhà mạng Viettel được đặt ở vị trí I(−1; 2; 3) và được thiết kế bán kính phủ sóng là 5000 m. Phương trình mặt cầu biểu diễn ranh giới cùng phủ sóng là:
(x + 1)2 + (y − 2)2 + (z – 3)2 = 25;
(x − 1)2 + (y − 2)2 + (z − 3)2 = 25;
(x + 1)2 + (y − 2)2 + (z − 3)2 = 25000000;
(x − 1)2 + (y − 2)2 + (z − 3)2 = 25000000.
Đáp án đúng là: A
Tâm mặt cầu có tọa độ I(−1; 2; 3).
Bán kính mặt cầu R = 5000 m = 5 km.
Vậy phương trình mặt cầu mô tả vùng phủ sóng của trạm phát sóng là
(x + 1)2 + (y – 2)2 + (z – 3)2 = 25.
Trong không gian Oxyz, đặt 4 thiết bị thu tín hiệu tại 4 điểm có tọa độ lần lượt là A(−2; 3; 5), B(0; 2; 8), C(1; −3; 7), D(4; 1; 0). Đặt thiết bị phát tín hiệu tại điểm nào sau đây để 4 thiết bị thu tín hiệu cùng một thời điểm?
\(I\left( {\frac{{453}}{{262}};\frac{{117}}{{262}};\frac{{1047}}{{262}}} \right)\);
\(I\left( { - \frac{{453}}{{262}}; - \frac{{117}}{{262}}; - \frac{{1047}}{{262}}} \right)\);
\(I\left( {\frac{{453}}{{131}};\frac{{117}}{{131}};\frac{{1047}}{{131}}} \right)\);
\(I\left( { - \frac{{453}}{{131}}; - \frac{{117}}{{131}}; - \frac{{1047}}{{131}}} \right)\).
Đáp án đúng là: A
Để 4 thiết bị thu tín hiệu cùng một thời điểm thì điểm phát tín hiệu phải cách đều 4 điểm A, B, C, D.
Vậy điểm phát tín hiệu sẽ đặt tại tâm I của mặt cầu đi qua 4 điểm A, B, C, D.
Giả sử phương trình mặt cầu đó là x2 + y2 + z2 + Ax + By + Cz + D = 0 ta có hệ phương trình:
\(\left\{ \begin{array}{l} - 2A + 3B + 5C + D = - 38\\2B + 8C + D = - 68\\A - 3B + 7C + D = - 59\\4A + B + D = - 17\end{array} \right.\)\( \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}A = - \frac{{453}}{{131}}\\B = - \frac{{117}}{{131}}\\C = - \frac{{1047}}{{131}}\\D = - \frac{{298}}{{131}}\end{array} \right.\) tâm \(I\left( {\frac{{453}}{{262}};\frac{{117}}{{262}};\frac{{1047}}{{262}}} \right)\).
Trong không gian Oxyz, một thiết bị phát sóng đặt tại vị trí I(1; 0; −1). Vùng phủ sóng của thiết bị có ranh giới là một mặt cầu bán kính bằng \(\sqrt 2 \). Điểm nào sau đây thuộc vùng phủ sóng của thiết bị.
A(1; 0; 1);
B(1; 1; −1);
C(−2; 0; 1);
(1; −2; −1).
Đáp án đúng là: B
Ta có \(\overrightarrow {IB} = \left( {0;1;0} \right)\) IB = 1 < R nên điểm B(1; 1; −1) nằm bên trong mặt cầu trên.
Suy ra điểm B thuộc vùng phủ sóng của thiết bị.
>
Một vệ tinh quay quanh Trái Đất với độ cao so với mặt đất là 18900 km. Ta xét trong không gian Oxyz với tâm O là tâm Trái Đất, 1 đơn vị dài trong không gian Oxyz tương ứng với 6300 km trên thực tế. Biết bán kính Trái Đất khoảng 6300 km. Phương trình biểu diễn quỹ đạo chuyển động của vệ tính đó là
x2 + y2 + z2 = 4;
x2 + y2 + z2 = 16;
x2 + y2 + z2 = 2;
x2 + y2 + z2 = 5.
Đáp án đúng là: B
Khoảng cách từ tâm Trái Đất đến vị tinh là 18900 + 6300 = 25200 tương ứng bằng 4 đơn vị.
Ta thấy quỹ đạo chuyển động của vệ tinh quanh Trái Đất là một mặt cầu có tâm là tâm Trái Đất có tọa độ là O(0; 0; 0) và bán kính R = 4.
Do đó phương trình mặt cầu là x2 + y2 + z2 = 16.
Khi đặt hệ tọa độ Oxyz vào không gian với đơn vị trên trục tính theo km, người ta thấy rằng một không gian phủ sóng điện thoại có dạng một hình cầu (S) (tập hợp những điểm nằm trong và nằm trên mặt cầu tương ứng). Biết mặt cầu (S) có phương trình x2 + y2 + z2 – 2x – 4y – 6z + 5 = 0. Khoảng cách xa nhất giữa hai vùng phủ sóng là bao nhiêu km?
9;
3;
6;
12.
Đáp án đúng là: C
Ta có x2 + y2 + z2 – 2x – 4y – 6z + 5 = 0 (x – 1)2 + (y – 2)2 + (z – 3)2 = 32.
Khoảng cách xa nhất gữa hai điểm thuộc vùng phủ sóng là đường kính của mặt cầu, tức là 6 km.
