Bài 25: Hai mặt phẳng vuông góc
Lý thuyết chi tiết và bài tập có lời giải Bài 25: Hai mặt phẳng vuông góc — SGK Toán 11 Kết nối tri thức.
I. Góc giữa hai mặt phẳng & Góc phẳng nhị diện
Cho hai mặt phẳng $(P)$ và $(Q)$ cắt nhau theo giao tuyến $c$. Cho điểm $I \in c$, trong $(P)$ kẻ $a \perp c$ tại $I$, trong $(Q)$ kẻ $b \perp c$ tại $I$.
Góc $\widehat{aIb}$ gọi là góc phẳng nhị diện giữa hai mặt phẳng $(P)$ và $(Q)$.
$$\cos((P), (Q)) = \cos(a, b) = \dfrac{|\vec{n}_P \cdot \vec{n}_Q|}{|\vec{n}_P| \cdot |\vec{n}_Q|}$$II. Điều kiện hai mặt phẳng vuông góc
Hai mặt phẳng được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa chúng bằng $90^\circ$. Kí hiệu $(P) \perp (Q)$.
Định lí: Mặt phẳng $(P)$ vuông góc với $(Q)$ khi và chỉ khi $(P)$ chứa một đường thẳng $d$ vuông góc với $(Q)$.
$$\begin{cases} d \subset (P) \\ d \perp (Q) \end{cases} \Rightarrow (P) \perp (Q)$$III. Tính chất hai mặt phẳng vuông góc
- Nếu $(P) \perp (Q)$ theo giao tuyến $c$, đường thẳng $a \subset (P)$ mà $a \perp c$ thì $a \perp (Q)$.
- Nếu hai mặt phẳng $(P)$ và $(Q)$ cắt nhau cùng vuông góc với $(R)$ thì giao tuyến $d = (P) \cap (Q)$ vuông góc với $(R)$.
🔷 Dạng 1: Chứng minh hai mặt phẳng vuông góc
- Tìm một đường thẳng $d$ nằm trong mặt phẳng $(P)$.
- Chứng minh $d \perp (Q)$. Từ đó suy ra $(P) \perp (Q)$.
Cho hình chóp $S.ABCD$ có $SA \perp (ABCD)$, đáy $ABCD$ là hình vuông. Chứng minh $(SAB) \perp (SBC)$.
Xem lời giải
• Đã chứng minh ở Bài 23: $BC \perp (SAB)$.
• Vì $BC \subset (SBC)$ nên $(SBC) \perp (SAB)$ (ĐPCM).
Cho hình chóp $S.ABCD$ có $SA \perp (ABCD)$, $ABCD$ là hình vuông. Chứng minh $(SAC) \perp (SBD)$.
Xem lời giải
• $BD \perp AC$ (hai đường chéo hình vuông) và $BD \perp SA$ (do $SA \perp (ABCD)$).
• Suy ra $BD \perp (SAC)$. Mà $BD \subset (SBD) \Rightarrow (SBD) \perp (SAC)$ (ĐPCM).
📝 Thực hành — Dạng 1
Cho $S.ABCD$ có $SA \perp (ABCD)$, đáy là hình chữ nhật. Chứng minh $(SAD) \perp (SCD)$.
Xem lời giải
$CD \perp (SAD)$ và $CD \subset (SCD) \Rightarrow (SCD) \perp (SAD)$.
Cho tứ diện $OABC$ có $OA, OB, OC$ đôi một vuông góc. Chứng minh $(OAB) \perp (OBC)$.
Xem lời giải
$OA \perp (OBC)$ mà $OA \subset (OAB) \Rightarrow (OAB) \perp (OBC)$.
🔷 Dạng 2: Tính góc giữa hai mặt phẳng
- Tìm giao tuyến $c = (P) \cap (Q)$.
- Hạ $AH \perp (Q)$ tại $H$. Từ $H$ kẻ $HI \perp c$ tại $I$. Khi đó $AI \perp c$.
- Góc cần tính là góc $\widehat{AIH}$.
Cho $S.ABC$ có $SA \perp (ABC)$, $SA = a\sqrt{3}$, $\triangle ABC$ vuông tại $B$ có $AB = a$. Tính góc giữa $(SBC)$ và $(ABC)$.
Xem lời giải
• Giao tuyến $(SBC) \cap (ABC) = BC$.
• $AB \perp BC$ và $SB \perp BC \Rightarrow$ Góc phẳng nhị diện là $\widehat{SBA}$.
• $\tan \widehat{SBA} = \dfrac{SA}{AB} = \dfrac{a\sqrt{3}}{a} = \sqrt{3} \Rightarrow \widehat{SBA} = 60^\circ$.
Cho $S.ABCD$ đáy hình vuông cạnh $a$, $SA \perp (ABCD), SA = a$. Tính góc giữa $(SCD)$ và $(ABCD)$.
Xem lời giải
• Giao tuyến $CD$. $AD \perp CD, SD \perp CD \Rightarrow$ Góc là $\widehat{SDA}$.
• $\tan \widehat{SDA} = \dfrac{SA}{AD} = \dfrac{a}{a} = 1 \Rightarrow \widehat{SDA} = 45^\circ$.
📝 Thực hành — Dạng 2
Cho $S.ABCD$ đáy hình vuông cạnh $a$, $SA = a\sqrt{3}$, $SA \perp (ABCD)$. Tính góc giữa $(SCD)$ và $(ABCD)$.
Xem lời giải
$\tan \alpha = SA/AD = \sqrt{3} \Rightarrow \alpha = 60^\circ$.
Cho hình chóp đều $S.ABC$ có góc giữa mặt bên và mặt đáy bằng $60^\circ$. Chiều cao $h = a\sqrt{3}$. Tính bán kính đường tròn nội tiếp tam giác đáy.
Xem lời giải
$\tan 60^\circ = \dfrac{h}{r} \Rightarrow r = \dfrac{a\sqrt{3}}{\sqrt{3}} = a$.
🔷 Dạng 3: Dựng đường cao từ 2 MP vuông góc
Khi $(P) \perp (Q)$ theo giao tuyến $c$, từ một điểm $S \in (P)$, kẻ $SH \perp c$ ($H \in c$). Khi đó $SH \perp (Q)$ chính là đường cao của hình chóp.
Cho hình chóp $S.ABC$ có $(SAB) \perp (ABC)$, tam giác $SAB$ đều cạnh $a$, tam giác $ABC$ vuông tại $C$. Tính chiều cao của hình chóp.
Xem lời giải
• Giao tuyến $(SAB) \cap (ABC) = AB$.
• Gọi $H$ là trung điểm $AB$. Vì $\triangle SAB$ đều nên $SH \perp AB$.
• Do $(SAB) \perp (ABC) \Rightarrow SH \perp (ABC)$. Chiều cao $h = SH = \dfrac{a\sqrt{3}}{2}$.
Cho $S.ABCD$ có $(SAD) \perp (ABCD)$, $\triangle SAD$ cân tại $S$. Kẻ $SH \perp AD$. Chứng minh $SH \perp (ABCD)$.
Xem lời giải
Giao tuyến là $AD$. Vì $(SAD) \perp (ABCD)$ và $SH \perp AD \Rightarrow SH \perp (ABCD)$.
📝 Thực hành — Dạng 3
Cho $S.ABC$ có $(SBC) \perp (ABC)$, $\triangle SBC$ vuông cân tại $S$ cạnh $BC = 2a$. Tính chiều cao $SH$.
Xem lời giải
Trung tuyến $SH = \dfrac{1}{2} BC = a$.
Cho hai mặt phẳng $(P), (Q)$ cùng vuông góc với $(R)$ cắt nhau theo giao tuyến $d$. Vị trí tương đối giữa $d$ và $(R)$ là gì?
Xem lời giải
$d \perp (R)$.
🔷 Dạng 4: Góc trong lăng trụ đứng & hình hộp
Trong lăng trụ đứng, các mặt bên luôn vuông góc với hai mặt phẳng đáy.
Cho lăng trụ đứng $ABC.A'B'C'$ có đáy $ABC$ vuông cân tại $A$. Chứng minh $(ACC'A') \perp (ABB'A')$.
Xem lời giải
• $AC \perp AB$ (do $\triangle ABC$ vuông tại $A$).
• $AC \perp AA'$ (do lăng trụ đứng).
Suy ra $AC \perp (ABB'A')$. Vì $AC \subset (ACC'A') \Rightarrow (ACC'A') \perp (ABB'A')$.
Góc giữa 2 mặt kề nhau của hình lập phương bằng bao nhiêu?
Xem lời giải
Bằng $90^\circ$.
📝 Thực hành — Dạng 4
Cho lăng trụ đều $ABC.A'B'C'$. Tính góc giữa $(A'BC)$ và $(ABC)$ khi $AA' = a\sqrt{3}/2$, $AB = a$.
Xem lời giải
Gọi $M$ là trung điểm $BC \Rightarrow AM = a\sqrt{3}/2$. $\tan \alpha = \dfrac{AA'}{AM} = 1 \Rightarrow \alpha = 45^\circ$.
Trong hình lập phương $ABCD.A'B'C'D'$, góc giữa $(A'BD)$ và $(ABCD)$ tính theo công thức nào?
Xem lời giải
$\tan \alpha = \dfrac{A'A}{AO} = \dfrac{a}{a\sqrt{2}/2} = \sqrt{2} \Rightarrow \alpha = \arctan\sqrt{2} \approx 54.74^\circ$.
📝 Bài tập tự luận — Tổng hợp
Bài 1. Phát biểu định lí điều kiện để hai mặt phẳng vuông góc với nhau.
Xem lời giải
Mặt phẳng này chứa một đường thẳng vuông góc với mặt phẳng kia.
Bài 2. Cho $S.ABC$ có $SA \perp (ABC)$, $\triangle ABC$ vuông tại $B$. Chứng minh $(SBC) \perp (SAB)$.
Xem lời giải
$BC \perp (SAB)$ mà $BC \subset (SBC) \Rightarrow (SBC) \perp (SAB)$.
Bài 3. Cho $S.ABCD$ đáy hình vuông, $SA \perp (ABCD)$. Chứng minh $(SAC) \perp (SBD)$.
Xem lời giải
$BD \perp (SAC)$ mà $BD \subset (SBD) \Rightarrow (SBD) \perp (SAC)$.
Bài 4. Cho $S.ABC$ có $SA \perp (ABC), SA = a, AB = a$. Tính góc giữa $(SBC)$ và $(ABC)$ khi $\triangle ABC$ vuông tại $B$.
Xem lời giải
Góc $\widehat{SBA} = 45^\circ$.
Bài 5. Hai mặt phẳng phân biệt cùng vuông góc với mặt phẳng thứ ba thì có song song không?
Xem lời giải
Chưa chắc (chúng có thể song song hoặc cắt nhau).
Bài 6. Cho $(SAB) \perp (ABC)$ theo giao tuyến $AB$, $\triangle SAB$ cân tại $S$. Đường cao $SH$ có quan hệ gì với $(ABC)$?
Xem lời giải
$SH \perp (ABC)$.
Bài 7. Trong hình chóp đều $S.ABCD$, mặt phẳng $(SAC)$ có vuông góc với $(SBD)$ không?
Xem lời giải
Có, vì $AC \perp BD$ và $AC \perp SO \Rightarrow AC \perp (SBD) \Rightarrow (SAC) \perp (SBD)$.
Bài 8. Cho lăng trụ đứng $ABC.A'B'C'$. Hỏi có bao nhiêu mặt bên vuông góc với mặt đáy?
Xem lời giải
Tất cả 3 mặt bên đều vuông góc với 2 mặt đáy.
Bài 9. Tính góc giữa hai mặt phẳng đối diện trong hình lập phương.
Xem lời giải
Bằng $0^\circ$ (vì chúng song song với nhau).
Bài 10. Nếu $(P) \perp (Q)$, từ điểm $M \in (P)$ hạ $MH \perp (Q)$ thì điểm $H$ thuộc đường nào?
Xem lời giải
Thuộc giao tuyến $c = (P) \cap (Q)$.
🎯 Bài tập trắc nghiệm tự luyện
Làm các câu hỏi sau để củng cố toàn bộ kiến thức về Hai mặt phẳng vuông góc. Hệ thống sẽ hiển thị kết quả và lời giải chi tiết ngay khi bạn trả lời.
Ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm Hai mặt phẳng vuông góc
Hàng trăm câu hỏi ngẫu nhiên từ ngân hàng đề — kiểm tra và tự đánh giá năng lực ngay!
🚀 Làm bài trắc nghiệm →