Giải SBT Toán 12 Chân trời sáng tạo Bài 3. Phương trình mặt cầu có đáp án
7 câu hỏi
Cho mặt cầu (S) có tâm I(2; −1; 4) và bán kính R = 5. Các điểm A(3; 1; 5), B(−1; 11; 14), C(6; 2; 4) nằm trong, nằm trên hay nằm ngoài mặt cầu (S)?
Ta có:
IA = \[\sqrt {{{\left( {2 - 3} \right)}^2} + {{\left( { - 1 - 1} \right)}^2} + {{\left( {5 - 4} \right)}^2}} = \sqrt 6 < 5\] hay IA < R.
Do đó, điểm A nằm trong mặt cầu (S).
IB = \[\sqrt {{{\left( {2 - \left( { - 1} \right)} \right)}^2} + {{\left( { - 1 - 11} \right)}^2} + {{\left( {4 - 14} \right)}^2}} \]\[ = \sqrt {253} > 5\] hay IB > R.
Do đó, điểm B nằm ngoài mặt cầu (S).
IC = \[\sqrt {{{\left( {2 - 6} \right)}^2} + {{\left( { - 1 - 2} \right)}^2} + {{\left( {4 - 4} \right)}^2}} \] = 5 = R.
Do đó, điểm C nằm trên mặt cầu (S).
Viết phương trình mặt cầu (S) trong mỗi trường hợp sau:
a) (S) có tâm I(−5; 7; 6) và có bán kính R = 9.
b) (S) có tâm I(0; −3; 0) và đi qua điểm M(4; 0; −2).
c) (S) có đường kính EF với E(1; 5; 9), F(11; 3; 1).
a) (S) có tầm I(−5; 7; 6) và bán kính R = 9 nên có phương trình là:
(x + 5)2 + (y – 7)2 + (z – 6)2 = 92 hay (x + 5)2 + (y – 7)2 + (z – 6)2 = 81.
b) (S) có tâm I(0; −3; 0) và đi qua điểm M(4; 0; −2) có:
Bán kính R = IM = \[\sqrt {{{\left( {4 - 0} \right)}^2} + {{\left( {0 - \left( { - 3} \right)} \right)}^2} + {{\left( { - 2 - 0} \right)}^2}} = \sqrt {29} \].
Phương trình mặt cầu (S) là: x2 + (y + 3)2 + z2 = 29.
c) Tâm I của mặt cầu (S) đường kính EF chính là trung điểm của EF.
Do đó, ta có: \[\left\{ \begin{array}{l}{x_I} = \frac{{1 + 11}}{2} = 6\\{y_I} = \frac{{5 + 3}}{2} = 4\\{z_1} = \frac{{9 + 1}}{2} = 5\end{array} \right.\]⇒ I(6; 4; 5).
Bán kính R = IE = \[\sqrt {{{\left( {6 - 1} \right)}^2} + {{\left( {5 - 4} \right)}^2} + {{\left( {9 - 5} \right)}^2}} = \sqrt {42} \].
Vậy phương trình mặt cầu (S) là: (x – 6)2 + (y – 4)2 + (z – 5)2 = 42.
Xác định tâm và bán kính của mặt phẳng có phương trình sau:
a) (S): (x – 7)2 + ( y – 3)2 + (z + 4)2 = 49;
b) (S'): x2 + (y + 1)2 + (z – 2)2 = 11;
c) (S''): x2 + y2 + z2 = 25.
a) Mặt cầu (S) có tâm I(7; 3; −4) và bán kính R = 7.
b) Mặt cầu (S') có tâm I(0; −1; 2) và bán kính R = \[\sqrt {11} \].
c) Mặt cầu (S'') có tâm I(0; 0; 0) và bán kính R = 5.
Trong các phương trình sau, phương trình nào là phương trình mặt cầu? Xác định tâm và bán kính mặt của cầu đó.
a) 4x2 + y2 + z2 – 2x – 14y – 7z + 4 = 0;
b) x2 + y2 + z2 + 6x – 4y – 4z – 19 = 0;
c) x2 + y2 + z2 – 4x – 4y – 6z + 40 = 0.
a) Phương trình 4x2 + y2 + z2 – 2x – 14y – 7z + 4 = 0 không phải là phương trình mặt cầu do hệ số của x2 và y2 khác nhau.
b) Phương trình x2 + y2 + z2 + 6x – 4y – 4z – 19 = 0 có dạng
x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 với a = −3; b = 2; c = 2; d = −19.
Ta có: a2 + b2 + c2 − d = 9 + 4 + 4 + 19 = 36 > 0, suy ra phương trình đã cho là phương trình mặt cầu tâm I(−3; 2; 2), bán kính R = .
c) Phương trình x2 + y2 + z2 – 4x – 4y – 6z + 40 = 0, có dạng:
x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 với a = 2; b = 2, c = 3 và d = 40.
Ta thấy a2 + b2 + c2 – d = 4 + 4 + 9 – 40 = −23 < 0.
Suy ra phương trình đã cho không phải là phương trình mặt cầu.
Người ta muốn thiết kế một quả địa cầu trong không gian Oxyz bằng phần mềm 3D. Biết phương trình mặt cầu là:
(S): (x – 24)2 + (y – 24)2 + (z – 24)2 = 100 (đơn vị cm) và phương trình đường thẳng trục xoay là d: \[\frac{{x - 24}}{1} = \frac{{y - 24}}{1} = \frac{{z - 24}}{{3,25}}\].
a) Tìm tọa độ giao điểm của d và (S).
b) Tính số đo góc giữa d và trục Oz. Làm tròn kết quả đến hàng phần mười của độ.
a) Ta có phương trình tham số của đường thẳng d là: \[\left\{ \begin{array}{l}x = 24 + t\\y = 24 + t\\z = 24 + 3,25t.\end{array} \right.\]
Xét điểm M(24 + t; 24 + t; 24 + 3,25t) thuộc đường thẳng d.
Thay tọa độ của M vào phương trình mặt cầu (S), ta được:
(24 + t – 24)2 + (24 + t – 24)2 + (24 + 3,25t – 24)2 = 100 ⇔ t = \[ \pm \frac{{40\sqrt {201} }}{{201}}\].
Vậy d cắt (S) tại hai điểm \[M\left( {24 + \frac{{40\sqrt {201} }}{{201}};24 + \frac{{40\sqrt {201} }}{{201}};24 + \frac{{130\sqrt {201} }}{{201}}} \right)\] hoặc
\[M'\left( {24 - \frac{{40\sqrt {201} }}{{201}};24 - \frac{{40\sqrt {201} }}{{201}};24 - \frac{{130\sqrt {201} }}{{201}}} \right)\].
b) Vectơ chỉ phương của d và trục Oz lần lượt là \[\overrightarrow a = \left( {1;1;3,25} \right),\overrightarrow k = \left( {0;0;1} \right)\].
Ta có: cos(d; Oz) = \[\frac{{\left| {\overrightarrow a .\overrightarrow k } \right|}}{{\left| {\overrightarrow a } \right|.\left| {\overrightarrow k } \right|}} = \frac{{\left| {3,25} \right|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2} + 3,{{25}^2}} .\sqrt {{0^2} + {0^2} + {1^2}} }} \approx 0,917\].
Suy ra (d, Oz) ≈ 23,5°.
Trong không gian Oxyz (đơn vị trên các trục tọa độ là mét), một ngọn hải đăng có bóng đèn đặt tại điểm I(20; 40; 60).
a) Cho biết bán kính phủ sáng của đèn trên hải đăng là 3 km, viết phương trình mặt cầu biểu diễn ranh giới của vùng phủ sáng của hải đăng trong không gian.
b) Một người đi biển đang ở vị trí M(420; 340; 0). Người đó có thể nhìn thấy được ánh sáng của hải đăng hay không? Giải thích.
a) Gọi (S) là mặt cầu biểu diễn ranh giới của vùng phủ sáng của đèn trên hải đẳng trong không gian Oxyz.
Mặt cầu (S) có tâm I(20; 40; 60) và bán kính R = 3000, suy ra (S) có phương trình:
(x – 20)2 + (y – 40)2 + (z – 60)2 = 9 000 000.
b) Ta có: IM = \[\sqrt {{{400}^2} + {{300}^2} + {{\left( { - 60} \right)}^2}} = 20\sqrt {634} \] ≈ 504 < 3000, suy ra IM < R.
Do đó, người này có thể nhìn thấy được ánh sáng của đèn trên hải đăng.
Một khu vực đã được thiết lập một hệ tọa độ Oxyz (đơn vị trên các trục là mét). Một flycam đang phát sóng wifi bao phủ một vùng không gian bên trong mặt cầu (S): (x – 20)2 + (y – 30)2 + (z – 10)2 = 400. Một người đang sử dụng máy tính tại điểm M nằm trên điểm giao của mặt cầu (S) và mặt đất (P): z = 0.
a) Xác định tọa độ âm I và bán kính của mặt cầu (S). Tính khoảng cách IJ của đoạn vuông góc từ I đến (P).
b) Tính độ dài đoạn thẳng JM. Làm tròn kết quả đến hàng phần trăm của mét.
a) Ta có mặt cầu (S): (x – 20)2 + (y – 30)2 + (z – 10)2 = 400 có tâm I(20; 30; 10) và bán kính R = 20 m.
Ta có: IJ = d(I, (P)) = 10 m.
b) Ta có điểm M thuộc mặt cầu (S) nên IM = R = 20 m. Trong tam giác IJM vuông tại J, ta có: JM = \[\sqrt {I{M^2} - {\rm{I}}{{\rm{J}}^2}} = \sqrt {{{20}^2} - {{10}^2}} = 10\sqrt 3 \approx 17,32\] (m).
