Lý thuyết chương 2 hình học 11 bài 2

Trang 1 CHƢƠNG II. ĐƢỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG TRONG KHÔNG GIAN. QUAN HỆ SONG SONG oOo  CHUẨN BỊ KIẾN THỨC: 1. Hình học phẳng: a] Định lí Talet: MN// BC ACANABAM b] Vị trí tương đối giữa hai đường thẳng a, b: c] Một số tính chất thường sử dụng: Tính chất bắc cầu: Hai đường thẳng phân biệt cùng song song với đường thẳng thứ ba thì song song nhau. Hai đường thẳng phân biệt cùng vuông góc với đường thẳng thứ ba thì song song nhau. 2. Một số hình hình học không gian: Hình chóp đều Lăng trụ đứng Hình hộp chữ nhật BÀI 1: ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐƢỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG I- KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU: 1. Mặt phẳng: Mặt phẳng là một đối tượng của toán học. Mặt phẳng không có bề dày và không có giới hạn. Để biểu diễn tả mặt phẳng ta thường dùng hình bình hành hay một miền góc và ghi tên của mặt phẳng vào một góc của hình NBACMa ba // ba caét bbababaCDABSC'B'ACBA'D'C'B'DABCA'αP Trang 2 biểu diễn. Để kí hiệu mặt phẳng, ta thường dùng các chữ cái in hoa hoặc chữ cái Hi Lạp đặt trong dấu ngoặc "[ ]". Ví dụ mặt phẳng [P]  viết tắt mp[P] hay [P]; mặt phẳng [a]  viết tắt mp[a] hay [a]; 2. Điểm thuộc mặt phẳng: Cho điểm A và mặt phẳng [a] Điểm A thuộc mặt phẳng [a] ta nói A nằm trên [a] hay [a] chứa A hoặc [a] đi qua A. Kí hiệu: A [a]. Điểm A không thuộc mặt phẳng [a] ta nói A nằm ngoài [a] hay [a] không chứa A hoặc [a] không đi qua A. Kí hiệu: A [a]. 3. Hình biểu diễn của một hình không gian: Để nghiên cứu hình học không gian người ta thường vẽ các hình không gian lên bảng, lên giấy. Ta gọi hình vẽ đó là hình biểu diễn của một hình không gian. Hình biểu diễn được vẽ dựa vào các quy tắc: Hình biểu diễn của đường thẳng là đường thẳng, của đoạn là đoạn thẳng; Hình biểu diễn của hai đường thẳng song song là hai đường thẳng song song, của hai đường thẳng cắt nhau là hai đường thẳng cắt nhau; Hình biểu diễn phải giữ nguyên quan hệ thuộc giữa các điểm và đường thẳng; Dùng nét vẽ liền "______" để biểu diễn cho đường nhìn thấy và nét đứt đoạn "- - - -" biểu diễn cho đường bị che khuất. II- CÁC TÍNH CHẤT THỪA NHẬN: Tính chất 1: Có một và chỉ một đường thẳng đi qua hai điểm phân biệt. Tính chất 2: Có một và chỉ một mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng. Tính chất 3: Nếu một đường thẳng có hai điểm phân biệt thuộc một mặt phẳng thì mọi điểm của đường thẳng đều thuộc mặt phẳng đó. Nếu đường thẳng d có hai điểm thuộc mp[a] thì khi đó mọi điểm của đường thẳng d đều thuộc mp[a] ta nói d chứa trong [nằm trong] mp[a] hay mp[a] chứ d và kí hiệu d [a] hay [a] d. Tính chất 4: Tồn tại bốn điểm không cùng thuộc một mặt phẳng. Nếu có nhiều điểm cùng thuộc một mặt phẳng thì ta nói những điểm đó đồng phẳng, còn nếu không có mặt phẳng nào chứa các điểm đó thì ta nói rằng chúng không đồng phẳng. Tính chất 5: Nếu hai mặt phẳng có một điểm chung thì chúng còn có một điểm chung khác nữa. AA Trang 3 Nếu hai mặt phẳng phân biệt có một điểm chung thì chúng sẽ có một đường thẳng chung đi qua điểm chung ấy. Đường thẳng chung của hai mặt phẳng phân biệt [a] và [ ] được gọi là giao tuyến của hai mặt phẳng [a] và [ ] và kí hiệu là: d = [a] [ ] Tính chất 6: Trên mỗi mặt phẳng, các kết quả đã biết trong hình học phẳng đều đúng. III- CÁCH XÁC ĐỊNH MỘT MẶT PHẲNG: 1. Ba cách xác định mặt phẳng: a] Mặt phẳng được hồn tồn xác định khi biết nó đi qua ba điểm khơng thẳng hàng. Mặt phẳng qua ba điểm khơng thẳng hàng A, B, C kí hiệu là: mp[ABC] hoặc [ABC] b] Mặt phẳng được hồn tồn xác định khi biết nó đi qua một điểm và chứa một đường thẳng khơng đi qua điểm đó. Cho đường thẳng d và điểm A khơng nằm trên d, khi đó ta xác định được mặt phẳng, kí hiệu là: mp[A, d] hay [A, d] c] Mặt phẳng được hồn tồn xác định khi biết nó chứa hai đường thẳng cắt nhau. Cho hai đường thẳng cắt nhau a và b. Khi đó hai đường thẳng a và b xác định một mặt phẳng và kí hiệu là: mp[a, b] hay [a, b], hoặc mp[b, a] hay [b, a]. 2. Một số bài tốn cơ bản: a] Xác định giao tuyến của hai mặt phẳng: b] Chứng minh ba điểm thẳng hàng: c] Tìm giao điểm của đường thẳng với mặt phẳng: IV- HÌNH CHĨP VÀ HÌNH TỨ DIỆN: Trong mặt phẳng [a] cho đa giác lồi . Lấy điểm S nằm ngồi [a]. Lần lượt nối S với các đỉnh ta được n tam giác , ,…, . Hình gồm đa giác và n tam giác , , …, gọi là hình chóp, kí hiệu là S.A1A2 An. Ta gọi S là đỉnh và đa giác là mặt đáy. Các tam giác , , …, được gọi là các mặt bên; các đoạn là các cạnh bên; các cạnh của đa giác đáy gọi là các cạnh đáy của hình chóp. Ta gọi hình chóp có giao tuyến của hai mặt phẳngdABCAdbanAAA 21nAAA 2121ASA32ASA1ASAnnAAA 2121ASA32ASA1ASAnnAAA 2121ASA32ASA1ASAnnSASASA , ,,21 Trang 4 đáy là tam giác, tứ giác, ngũ giác, … lần lượt là hình chóp tam giác, hình chóp tứ giác, hình chóp ngũ giác,… Cho bốn điểm A, B, C, D không đồng phẳng. Hình gồm bốn tam giác ABC, ACD, ABD và BCD gọi là hình tứ diện [hay ngắn gọn là tứ diện] và được kí hiệu là ABCD. Các điểm A, B, C, D gọi là các đỉnh của tứ diện. Các đoạn thẳng AB, BC, CD, DA, CA, BD gọi là các cạnh của tứ diện. Hai cạnh không đi qua một đỉnh gọi là hai cạnh đối diện. Các tam giác ABC, ACD, ABD, BCD gọi là các mặt của tứ diện. Đỉnh không nằm trên một mặt gọi là đỉnh đối diện với mặt đó. * Đặt biệt: Hình tứ diện có bốn mặt là các tam giác đều gọi là hình tứ diện đều. BÀI 2: HAI ĐƢỜNG THẲNG CHÉO NHAU VÀ HAI ĐƢỜNG THẲNG SONG SONG I- VỊ TRÍ TƢƠNG ĐỐI CỦA HAI ĐƢỜNG THẲNG TRONG KHÔNG GIAN: Trường hợp 1: Có một mặt phẳng chứa a và b. Khi đó ta nói a và b đồng phẳng, có ba khả năng xảy ra: i] a và b có điểm chung duy nhất M. Ta nói a và b cắt nhau tại M và kí hiệu là a b = {M}. Ta có thể viết a b = M. ii] a và b không có điểm chung. Ta nói a và b song song với nhau và kí hiệu là a // b. iii] a trùng b, kí hiệu là a b. a b = M a // b a b Như vậy, hai đường thẳng song song là hai đường thẳng cùng nằm trong một mặt phẳng và không có điểm chung. Trường hợp 2: Không có mặt phẳng nào chứa a và b. Khi đó ta nói a và b chéo nhau hay a chéo với b. a và b chéo nhau II- TÍNH CHẤT: Định lí 1: Trong không gian, qua một điểm không nằm trên đường thẳng cho trước, có một và chỉ một đường thẳng song song với đường thẳng đã cho. bababaBDCAbIa Trang 5 * Nhận xét: Hai đường thẳng song song a và b xác định một mặt phẳng, kí hiệu là mp[a, b] hay [a, b] Định lí 2: [về giao tuyến của ba mặt phẳng]: Nếu ba mặt phẳng phân biệt đôi một cắt nhau theo ba giao tuyến phân biệt thì ba giao tuyến ấy hoặc đồng quy hoặc đôi một song song với nhau. Hệ quả: Nếu hai mặt phẳng phân biệt lần lượt chứa hai đường thẳng song song thì giao tuyến của chúng [nếu có] cũng song song với hai đường thẳng đó. Định lí 3: Hai đường thẳng phân biệt cùng song song với đường thẳng thứ ba thì song song với nhau. Khi hai đường thẳng a và b cùng song song với đường thẳng c ta kí hiệu a // b // c và gọi là ba đường thẳng song song. BÀI 3: ĐƢỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG SONG SONG I- VỊ TRÍ TƢƠNG ĐỐI CỦA ĐƢỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG: Cho đường thẳng d và mặt phẳng [a]. Tùy theo số điểm chung của d và [a], ta có ba trường hợp: d và [a] không có điểm chung. Khi đó ta nói d song song với [a] hay [a] song song với d và kí hiệu là: d // [a] hay [a] // d. d và [a] có một điểm chung duy nhất M. Khi đó ta nói d và [a] cắt nhau tại M và kí hiệu là: d [a] = {M} hay d [a] = M d'dMcbabaIdd1dd2d2d1dcbaddM Trang 6 d và [a] có từ hai điểm chung trở lên. Khi đó, d nằm trong [a] hay [a] chứa d và kí hiệu: d [a] hay [a] d II- TÍNH CHẤT: Định lí 1: Nếu đường thẳng d không nằm trong mặt phẳng [a] và d song song với đường thẳng d’ nằm trong [a] thì d song song với [a]. Định lí 2: Cho đường thẳng a song song với mặt phẳng [a]. Nếu mặt phẳng [a] chứa a và cắt [a] theo giao tuyến b thì b song song với a. Hệ quả: Nếu hai mặt phẳng phân biệt cùng song song với một đường thẳng thì giao tuyến của chúng [nếu có] cũng song song với đường thẳng đó. Định lí 3: Cho hai đường thẳng chéo nhau. Có duy nhất một mặt phẳng chứa đường thẳng này và song song với đường thẳng kia. BÀI 4: HAI MẶT PHẲNG SONG SONG I- ĐỊNH NGHĨA: Hai mặt phẳng [a], [ ] được gọi là song song với nhau nếu chúng không có điểm chung. Khi đó ta kí hiệu: [a] // [ ] hay [ ] // [a]. II- TÍNH CHẤT Định lí 1: Nếu mặt phẳng [a] chứa hai đường thẳng cắt nhau a, b và a, b cùng song song với mặt phẳng [ ] thì [a] song song với [ ] Định lí 2: Qua một điểm nằm ngoài một mặt phẳng cho trước có một và chỉ một mặt phẳng song song với mặt phẳng đã cho. Hệ quả 1: Nếu đường thẳng d song song với mặt phẳng [ ] thì trong [ ] có một đường thẳng song song với d và qua d có duy nhất một mặt phẳng [a] song song với [ ]. dbaMAd Trang 7 Hệ quả 2: Hai mặt phẳng phân biệt cùng song song với mặt phẳng thứ ba thì song song với nhau. Hệ quả 3: Cho điểm A không nằm trên mặt phẳng [a]. Mọi đường thẳng đi qua A và song song với [a] đều nằm trong mặt phẳng đi qua A và song song với [a]. Định lí 3: Cho hai mặt phẳng song song. Nếu một mặt phẳng cắt mặt phẳng này thì cũng cắt mặt phẳng kia và hai giao tuyến song song với nhau. Hệ quả: Hai mặt phẳng song song chắn trên hai cát tuyến song song những đoạn thẳng bằng nhau. III- ĐỊNH LÍ TA-LÉT [THALÈS]: Định lí 4 [Định lí Ta-lét]: Ba mặt phẳng đôi một song song chắn trên hai cát tuyến bất kì những đoạn thẳng tương ứng tỉ lệ. Nếu d và d' là hai cát tuyến bất kì cắt ba mặt phẳng song song [a], [ ], [ ] lần lượt tại các điểm A, B, C và A', B', C' thì: '''''' ACCACBBCBAAB IV- HÌNH LĂNG TRỤ VÀ HÌNH HỘP: Cho hai mặt phẳng song song [a] và [a']. Trên [a] cho đa giác lồi . Qua các đỉnh ta vẽ các đường thẳng song song với nhau và cắt [a'] lần lượt tại . AbaB'BA'Aabd'dRQPAA'BB'CC'nAAA 21nAAA , ,,21nAAA ', ,','21 Trang 8 Hình gồm hai đa giác , và các hình bình hành được gọi là hình lăng trụ và được kí hiệu là . Hai đa giác và được gọi là hai mặt đáy của hình lăng trụ. Các đoạn thẳng được gọi là các cạnh bên của hình lăng trụ. Các hình bình hành được gọi là các mặt bên của hình lăng trụ. Các đỉnh của hai đa giác được gọi là các đỉnh của hình lăng trụ. * Nhận xét: + Các cạnh bên của hình lăng trụ bằng nhau và song song với nhau. + Các mặt bên của hình lăng trụ là các hình bình hành. + Hai đáy của hình lăng trụ là hai đa giác bằng nhau. Hình lăng trụ được gọi tên dựa vào tên của đa giác đáy: "lăng trụ" ghép với "tên đa giác đáy". V- HÌNH CHÓP CỤT: Định nghĩa: Cho hình chóp S. ; một mặt phẳng [P] không qua đỉnh, song song với mặt phẳng đáy của hình chóp cắt các cạnh lần lượt tại . Hình tạo bởi thiết diện và đáy của hình chóp cùng với các tứ giác gọi là hình chóp cụt. Đáy của hình chóp gọi là đáy lớn của hình chóp cụt, còn thiết diện gọi là đáy nhỏ của hình chóp cụt. Các tứ giác gọi là các mặt bên của hình chóp cụt. Các đoạn thẳng gọi là các cạnh bên của hình chóp cụt. Tùy theo đáy là tam giác, tứ giác, ngũ giác…, ta có nAAA , ,,21nAAA ', ,','211133222211'', ,'','' AAAAAAAAAAAAnnnnAAAAAA ' '' 2121nAAA , ,,21nAAA ', ,','21nnAAAAAA ', ,','22111133222211'', ,'','' AAAAAAAAAAAAnnA'2A'3A'4A'5A5A4A3A'1A2A1'nAAA , ,,21nSASASA , ,,21nAAA ', ,','21nAAA ' ''21nAAA 21nnAAAAAAAAAAAA1123321221'', ,'',''nAAA ' ''21nnAAAAAAAAAAAA1123321221'', ,'',''nnAAAAAA ', ,','2211A'5A'4A'3A'2A'1A3A5A4A2A1SP Trang 9 hình chóp cụt tam giác, hình chóp cụt tứ giác, hình chóp cụt ngũ giác,… * Tính chất: Hai đáy là hai đa giác có các cạnh tương ứng song song và tỉ số các cặp cạnh tương ứng bằng nhau. Các mặt bên là những hình thang. Các đường thẳng chứa các cạnh bên đồng quy tại một điểm. BÀI 5: PHÉP CHIẾU SONG SONG. HÌNH BIỂU DIỄN I- PHÉP CHIẾU SONG SONG: Cho mặt phẳng [a] và đường thẳng cắt [a]. Với mỗi điểm M trong không gian, đường thẳng đi qua M và song song hoặc trùng với sẽ cắt [a] tại điểm M’ xác định. Điểm M’ được gọi là hình chiếu song song của điểm M trên mặt phẳng [a] theo phương của đường thẳng hoặc nói gọn là theo phương . Mặt phẳng [a] gọi là mặt phẳng chiếu. Phương gọi là phương chiếu. Phép đặt tương ứng mỗi điểm M trong không gian với hình chiếu M’ của nó trên mặt phẳng [a] được gọi là phép chiếu song song lên [a] theo phương . Nếu H là một hình nào đó thì tập hợp H’ các hình chiếu M’ của tất cả những điểm M thuộc H được gọi là hình chiếu của H qua phép chiếu song song nói trên. * Chú ý: Nếu một đường thẳng có phương trùng với phương chiếu thì hình chiếu của đường thẳng đó là một điểm. Sau đây ta chỉ xét các hình chiếu của những đường thẳng có phương không trùng với phương chiếu. II- CÁC TÍNH CHẤT CỦA PHÉP CHIẾU SONG SONG: Định lí 1: a] Phép chiếu song song biến ba điểm thẳng hàng thành ba điểm thẳng hàng và không làm thay đổi thứ tự ba điểm đó. b] Phép chiếu song song biến đường thẳng thành đường thẳng, biến tia thành tia, biến đoạn thẳng thành đoạn thẳng. c] Phép chiếu song song biến hai đường thẳng song song thành hai đường thẳng song song hoặc trùng nhau. M'MC'B'ABCA'b'a'baa' b'ba Trang 10 d] Phép chiếu song song không làm thay đổi tỉ số độ dài của hai đoạn thẳng nằm trên hai đường thẳng song song hoặc cùng nằm trên một đường thẳng. ''''DCBACDAB ''''DCBACDAB III- HÌNH BIỂU DIỄN CỦA MỘT HÌNH KHÔNG GIAN TRÊN MẶT PHẲNG: Hình biểu diễn của một hình H trong không gian là hình chiếu song song của hình H trên một mặt phẳng theo một phương chiếu nào đó hoặc hình đồng dạng với hình chiếu đó. Một hình thang bất kì bao giờ cũng có thể coi là hình biểu diễn của một hình thang tùy ý cho trước, miễn là tỉ số độ dài hai đáy của hình biểu diễn phải bằng tỉ số độ dài hai đáy của hình thang ban đầu. Người ta thường dùng hình elip để biểu diễn cho hình tròn. b'a'baACDBC'D'A'B'a'aD'C'B'ABCDA'