Bài tập Công thức tính góc trong không gian lớp 12 (có lời giải)

Gắn hệ trục tọa độ như hình vẽ, cạnh hình lập phương là \(1\), ta được tọa độ các điểm như sau :

\(M\left( {\frac{1}{2};\frac{1}{2};\frac{1}{6}} \right)\)\(,C'\left( {0;1;0} \right)\)\(,D'\left( {1;1;0} \right)\) và \(A\left( {1;0;1} \right)\)\(,B\left( {0;0;1} \right)\).

Khi đó \({\overrightarrow n _{\left( {MC'D'} \right)}} = \left( {0;1;3} \right)\)\(;{\overrightarrow n _{\left( {MAB} \right)}} = \left( {0;5;3} \right)\) nên \(\cos \widehat {\left( {\left( {MAB} \right),\left( {MC'D'} \right)} \right)}\)\( = \frac{{\left| {5.1 + 3.3} \right|}}{{\sqrt {{5^2} + {3^2}} .\sqrt {{1^2} + {3^2}} }}\) \( = \frac{{7\sqrt {85} }}{{85}}\).

Suy ra \[\sin \widehat {\left( {\left( {MAB} \right),\left( {MC'D'} \right)} \right)}\]\[ = \sqrt {1 - {{\left( {\frac{{7\sqrt {85} }}{{85}}} \right)}^2}} \]\( = \frac{{6\sqrt {85} }}{{85}}\).

Ta chọn hệ trục tọa độ \(Oxyz\) với \(O \equiv A\) như hình vẽ, chọn \(a = 1\) đơn vị, khi đó ta có tọa độ điểm \(B\left( {1;0;0} \right)\), \(C\left( {0;\sqrt 3 ;0} \right)\) suy ra trung điểm của \(BC\) là \(H\left( {\frac{1}{2};\frac{{\sqrt 3 }}{2};0} \right)\), vì \(H\) là hình chiếu của \(A'\) nên suy ra tọa độ của \(A'\left( {\frac{1}{2};\frac{{\sqrt 3 }}{2};\sqrt 5 } \right)\). Ta tìm tọa độ \(B'\), gọi tọa độ \(B'\left( {x;y;z} \right)\) khi đó ta có \(\overrightarrow {A'B'}  = \overrightarrow {OB} \) nên tọa độ \(B'\left( {\frac{3}{2};\frac{{\sqrt 3 }}{2};\sqrt 5 } \right)\). Ta cũng có \(\overrightarrow {B'C}  = \left( { - \frac{3}{2};\frac{{\sqrt 3 }}{2}; - \sqrt 5 } \right)\) và \(\overrightarrow {A'B}  = \left( {\frac{1}{2}; - \frac{{\sqrt 3 }}{2}; - \sqrt 5 } \right)\). Từ đó ta có \(\cos \varphi  = \frac{{\left| {\overrightarrow {A'B} .\overrightarrow {B'C} } \right|}}{{\left| {\overrightarrow {A'B} } \right|.\left| {\overrightarrow {B'C} } \right|}}\) \( = \frac{7}{{2.\sqrt 6 .\sqrt 8 }} = \frac{{7\sqrt 3 }}{{24}}\).

Do \(ABCD.A'B'C'D'\) là hình hộp chữ nhật nên \(A'C'\) là hình chiếu vuông góc của \(A'C\) trên $\left(ABCD\right)\Rightarrow (A\text{'}C,(ABCD\left)\right)=(A\text{'}C,A\text{'}C\text{'})=\widehat{CA\text{'}C\text{'}}={30}^0.$

Ta có \(AC = \sqrt {A{B^2} + A{D^2}}  = a\sqrt 3 ;\tan \widehat {CA'C'} = \frac{{CC'}}{{A'C'}} \Rightarrow CC' = a.\)

Kết hợp với giả thiết ta được \(ABB'A'\) là hình vuông và có \(H\) là tâm.

Gọi \(E,F\) lần lượt là hình chiếu vuông góc của \(K\) trên \(A'D'\& A'A.\)

Ta có \(\frac{1}{{A{K^2}}} = \frac{1}{{A'{A^2}}} + \frac{1}{{A{D^2}}} \Rightarrow AK = \frac{{a\sqrt 6 }}{3};\)\(A'K = \sqrt {A'{A^2} - A{K^2}}  = \frac{a}{{\sqrt 3 }};\)

\(\frac{1}{{K{F^2}}} = \frac{1}{{K{A^2}}} + \frac{1}{{A'{K^2}}} \Rightarrow KF = \frac{{a\sqrt 2 }}{3};KE = \sqrt {A'{K^2} - K{F^2}}  \Rightarrow KE = \frac{a}{3}.\)

Ta chọn hệ trục tọa độ \(Oxyz\) thỏa mãn \(O \equiv A'\) còn \(D',{\rm{ }}B',{\rm{ }}A\) theo thứ tự thuộc các tia \(Ox,{\rm{ }}Oy,{\rm{ }}Oz.\) Khi đó ta có tọa độ các điểm lần lượt là:

\(A(0;0;a),B'(0;a;0),H(0;\frac{a}{2};\frac{a}{2}),K(\frac{{a\sqrt 2 }}{3};0;\frac{a}{3}),E(\frac{{a\sqrt 2 }}{3};0;0),F(0;0;\frac{{a\sqrt 2 }}{3}).\)

Mặt phẳng \(\left( {ABB'A'} \right)\) là mặt phẳng \((yOz)\) nên có VTPT là \({\overrightarrow n _1} = (1;0;0);\)

Ta có \(\left[ {\overrightarrow {AK} ,\overrightarrow {AH} } \right] = \frac{{{a^2}}}{6}{\overrightarrow n _2},{\rm{ }}{\overrightarrow n _2}(2;\sqrt 2 ;\sqrt 2 ).\)

Mặt phẳng \((AKH)\)có VTPT là \({\overrightarrow n _2} = (2;\sqrt 2 ;\sqrt 2 );\)

Gọi \(\alpha \) là góc giữa hai mặt phẳng\(\left( {AHK} \right)\) và \(\left( {ABB'A'} \right)\).

Lấy \[H\] là trung điểm của \[BC\].

Ta có: \[{V_{ABC.A'BC'}} = CC'.{S_{\Delta ABC}} = \frac{{\sqrt 3 {a^3}}}{4} \Rightarrow CC = a\]vì \[{S_{\Delta ABC}} = \frac{{\sqrt 3 {a^2}}}{4}\].

Chọn hệ trục tọa độ \[Oxyz\] như hình vẽ. Ta có \[M \equiv O\].

\[M\left( {0\,;0\,;0} \right),{\rm{ }}A'\left( {\frac{a}{2}\,;0\,;0} \right),{\rm{ }}B'\left( {0\,;\frac{{\sqrt 3 a}}{2}\,;0} \right),{\rm{ C'}}\left( {0; - \frac{{\sqrt 3 a}}{2};0} \right);{\rm{ }}A\left( {\frac{a}{2};0\,;a} \right);{\rm{ }}N\left( {0\,; - \frac{{\sqrt 3 a}}{2};\frac{a}{2}} \right)\].

Ta có: \[\left( {ABC} \right) \bot Oz\] nên \[\left( {ABC} \right)\] có một vectơ pháp tuyến là \[\overrightarrow k  = \left( {0;0;1} \right)\].

Ta có \[\overrightarrow {MA}  = \left( {\frac{a}{2};0;a} \right)\], \[\overrightarrow {MN}  = \left( {0; - \frac{{\sqrt 3 a}}{2};\frac{a}{2}} \right)\].

Gọi \[{\overrightarrow v _1} = \frac{a}{2}\overrightarrow {MA}  \Rightarrow {\overrightarrow v _1} = \left( {1;0;2} \right)\], \[{\overrightarrow v _2} = \frac{a}{2}\overrightarrow {MN}  \Rightarrow {\overrightarrow v _2} = \left( {0; - \sqrt 3 ;1} \right)\].

Khi đó mặt phẳng \[\left( {AMN} \right)\] song song hoặc chứa giá của hai vectơ không cùng phương là \({\overrightarrow v _1}\) và \({\overrightarrow v _2}\) nên có một vectơ pháp tuyến là \[\overrightarrow n  = \left[ {{{\overrightarrow v }_1},{{\overrightarrow v }_2}} \right] = \left( {2\sqrt 3 ; - 1; - \sqrt 3 } \right)\].

Vậy \[\cos \alpha  = \left| {\cos \left( {\overrightarrow k ,\overrightarrow n } \right)} \right| = \frac{{\left| {\overrightarrow k .\overrightarrow n } \right|}}{{\left| {\overrightarrow k } \right|.\left| {\overrightarrow n } \right|}} = \frac{{\sqrt 3 }}{4}\].

Chọn hệ trục tọa độ sao cho \[B\left( {0;0;0} \right)\], \[A\left( {a\sqrt 2 ;0;0} \right)\], \[C\left( {0;a\sqrt 2 ;0} \right)\], \[S\left( {x;y;z} \right)\].

Ta có \[\left( {ABC} \right):z = 0\], \[\overrightarrow {AS}  = \left( {x - a\sqrt 2 ;y;z} \right)\], \[\overrightarrow {CS}  = \left( {x;y - a\sqrt 2 ;z} \right)\]

Do \[\overrightarrow {AS} .\overrightarrow {AB}  = 0\]\[ \Rightarrow \left( {x - a\sqrt 2 } \right)a\sqrt 2  = 0\]\[ \Rightarrow x = a\sqrt 2 \], \[d\left( {S,\left( {ABC} \right)} \right) = 2a\]\[ \Rightarrow z = 2a\] \[\left( {z > 0} \right)\]

\[\overrightarrow {CS} .\overrightarrow {CB}  = 0\]\[ \Rightarrow \left( {y - a\sqrt 2 } \right)a\sqrt 2  = 0\]\[ \Rightarrow y = a\sqrt 2 \]\[ \Rightarrow S\left( {a\sqrt 2 ;a\sqrt 2 ;2a} \right)\].

Ta có \[\overrightarrow {AS}  = \left( {0;a\sqrt 2 ;2a} \right)\], \[\overrightarrow {CS}  = \left( {a\sqrt 2 ;0;2a} \right)\], \[\overrightarrow {BS}  = \left( {a\sqrt 2 ;a\sqrt 2 ;2a} \right)\].

\[\left( {SBC} \right)\] có 1 vtpt \[\vec n = \left( { - \sqrt 2 ;0;1} \right)\], \[\left( {SAB} \right)\] có 1 vtpt \[\vec m = \left( {0;\sqrt 2 ; - 1} \right)\]\[ \Rightarrow \cos \varphi \]\[ = \frac{1}{{\sqrt 3 .\sqrt 3 }}\]\[ = \frac{1}{3}\].

Gọi \(O\) là trung điểm \(BC\).

Dựng \[AO \bot \left( {BCD} \right)\] khi đó \[O\] là đỉnh thứ tư của hình chữ nhật \[BCDO\].