6 bài tập Tìm vectơ pháp tuyến – cặp vectơ chỉ phương (có lời giải)
6 câu hỏi
Cho hình lập phương \(ABCD \cdot {A^\prime }{B^\prime }{C^\prime }{D^\prime }\).
a) Tìm một cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng \((ABCD)\).
b) Tìm một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((ABCD)\).
a) Vì \(\overrightarrow {AB} \) và \(\overrightarrow {AD} \) không cùng phương và có giá nằm trong mặt phẳng \((ABCD)\) nên \(\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AD} \) là một cặp vectơ chỉ phương của \((ABCD)\).
b) Vì \(A{A^\prime } \bot (ABCD)\) nên \(\overrightarrow {A{A^\prime }} \) là một vectơ pháp tuyến của \((ABCD)\)
Cho mặt phẳng \((P)\) có cặp vectơ chỉ phương là \(\vec a = (1;3;5),\vec b = ( - 3; - 1;1)\).
Hãy chỉ ra một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((P)\).
Một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((P)\) là: \(\vec n = [\vec a,\vec b]{\rm{ }} = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}3&5\\{ - 1}&1\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}5&1\\1&{ - 3}\end{array}} \right|;{\rm{ }}\left| {{\mkern 1mu} \begin{array}{*{20}{c}}1&3\\{ - 3}&{ - 1}\end{array}} \right|} \right) = (8; - 16;8).\)
Trong không gian Oxyz, tìm một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng qua ba điểm \(A(2; - 1;3),B(4;0;1),C( - 10;5;3)\).
Ta có \(\overrightarrow {AB} = (2;1; - 2),\overrightarrow {AC} = ( - 12;6;0)\) nên \(\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} \) không cùng phương. Mà chúng có giá nằm trong mặt phẳng \((ABC\) nên \(\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} \) là một cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng \((ABC)\).
Vậy một vectơ pháp tuyến của \((ABC)\) là:
\(\vec n = [\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} ] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{r}}1&{ - 2}\\6&0\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{r}}{ - 2}&2\\0&{ - 12}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{l}}2&1\\{ - 12}&6\end{array}} \right|} \right) = (1.0 - 6 \cdot ( - 2);( - 2).( - 12) - 0.2;2.6 - ( - 12).1) = (12;24;24)\) (Ta cũng có thể chọn vectơ \(\overrightarrow {{n^\prime }} = \frac{1}{{12}}\vec n = (1;2;2)\) là một vectơ pháp tuyến của \((ABC)\) ).
Moment lực là một đại lượng Vật lí, thể hiện tác động gây ra sự quay quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể. Trong không gian Oxyz, với đơn vị đo là mét, nếu tác động vào cán mỏ lết tại vị trí \(P\) một lực \(\vec F\) để vặn con ốc ở vị trí \(O\) (H.vẽ) thì moment lực \(\vec M\) được tính bởi công thức \(\vec M = [\overrightarrow {OP} ,\vec F]\).
a) Cho \(\overrightarrow {OP} = (x;y;z),\vec F = (a;b;c)\). Tính \(\vec M\).
b) Giải thích vì sao, nếu giữ nguyên lực tác động \(\vec F\) trong khi thay vị trí đặt lực từ \(P\) sang \({P^\prime }\) sao cho \(\overrightarrow {O{P^\prime }} = 2\overrightarrow {OP} \) thì moment lực sẽ tăng lên gấp đôi. Từ đó, ta có thể rút ra điều gì để đỡ tốn sức khi dùng mỏ lết vặn ốc?
a) Ta có \(\quad \vec M = [\overrightarrow {OP} ,\vec F] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{l}}y&z\\b&c\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{l}}z&x\\c&a\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{l}}x&y\\a&b\end{array}} \right|} \right)\) \( = (yc - bz;za - cx;bx - ay)\)
b) Vì \(\overrightarrow {O{P^\prime }} = 2\overrightarrow {OP} \) nên \(2\overrightarrow {OP} = (2x;2y;2z)\)
Khi đó \(\overrightarrow {{M^\prime }} = \left[ {\overrightarrow {O{P^\prime }} ,\vec F} \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2y}&{2z}\\b&c\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2z}&{2x}\\c&a\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2x}&{2y}\\a&b\end{array}} \right|} \right){\rm{ }}\)\( = (2yc - b2z;2za - 2cx;2bx - 2ay)\)
Suy ra \(\overrightarrow {{M^\prime }} = 2\vec M\).
Vậy giữ nguyên lực tác động \(\vec F\) trong khi thay vị trí đặt lực từ P sang \({{\rm{P}}^\prime }\) sao cho \(\overrightarrow {O{P^\prime }} = 2\overrightarrow {OP} \) thì moment lực sẽ tăng lên gấp đôi.
Kết luận: Từ kết quả trên, ta có thể rút ra rằng để đỡ tốn sức khi dùng mỏ lết vặn ốc, ta nên tăng khoảng cách từ điểm tác dụng lực đến trục quay (điểm O ).
Cho hình lập phương \(ABCD.{A^\prime }{B^\prime }{C^\prime }{D^\prime }\).
Trong các khẳng định sau, những khẳng định nào là đúng?
a) \(\overrightarrow {A{A^\prime }} \) và \(2\overrightarrow {B{B^\prime }} \) đều là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((ABCD)\).
b) \(\overrightarrow {BD} \) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (ACC'A).
c) \(\overline {{A^\prime }{C^\prime }} \) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (ABCD).
Vì các đường thẳng \(A{A^\prime },B{B^\prime }\) vuông góc với mặt phẳng \((ABCD)\) nên \(\overline {A{A^\prime }} ,2\overline {B{B^\prime }} \) đều là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((ABCD)\).
Đường thẳng BD vuông góc với hai đường thẳng AC và \(A{A^\prime }\) nên vuông góc với mặt phẳng \(\left( {AC} \right.C'A')\). Vậy \(\overrightarrow {BD} \) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng ( \(AC{C^\prime }A\) ).
Đường thẳng \({A^\prime }{C^\prime }\) không vuông góc với mặt phẳng \((ABCD)\) nên vectơ \(\overline {{A^\prime }{C^\prime }} \) không phải là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng đó.
Vậy các khẳng định a và b là đúng, khẳng định c là sai.
Cho hình hộp chữ nhật \(ABCD.{A^\prime }{B^\prime }{C^\prime }{D^\prime }\). Hãy tìm bốn vectơ pháp tuyến và hai cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng \(\left( {A{A^\prime }{B^\prime }B} \right)\).
Bốn vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \(\left( {A{A^\prime }{B^\prime }B} \right)\) là: \(\overrightarrow {AD} ,\overrightarrow {{A^\prime }{D^\prime }} ,\overrightarrow {BC} ,\overrightarrow {{B^\prime }{C^\prime }} \). Hai cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng \(\left( {A{A^\prime }{B^\prime }B} \right)\) là: \(\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {A{A^\prime }} \) và \(\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {A{B^\prime }} \).
