Bài 6: Vectơ trong không gian
Lý thuyết chi tiết và các dạng bài tập về vectơ trong không gian — Toán 12 Kết nối tri thức.
I. Lý thuyết
1. Khái niệm vectơ trong không gian
- Định nghĩa: Vectơ trong không gian là một đoạn thẳng có hướng.
- Kí hiệu: hoặc (điểm đầu , điểm cuối ).
- Độ dài: Độ lớn của đoạn thẳng , kí hiệu .
- Vectơ-không: Vectơ có điểm đầu trùng điểm cuối, kí hiệu .
- Hai vectơ cùng phương: Nếu giá của chúng song song hoặc trùng nhau.
- Hai vectơ bằng nhau: Nếu chúng cùng hướng và cùng độ dài.
2. Các phép toán vectơ
- Phép cộng:
- Quy tắc ba điểm: .
- Quy tắc hình bình hành: Nếu là hình bình hành thì .
- Quy tắc hình hộp: Nếu là hình hộp thì:
- Phép trừ: .
- Nhân vectơ với một số: Kết quả của là một vectơ:
- Cùng hướng với nếu , ngược hướng nếu .
- Độ dài: .
3. Tích vô hướng của hai vectơ
- Góc giữa hai vectơ: Cho . . Góc là góc giữa và .
- Công thức tích vô hướng:
- Tính chất:
- .
- .
🔷 Dạng 1: Các phép toán vectơ cơ bản và độ dài
Phương pháp:
- Sử dụng quy tắc 3 điểm, hình bình hành hoặc quy tắc hình hộp để thu gọn biểu thức.
- Để tính độ dài , ta thường tính hoặc sử dụng các hệ thức lượng trong tam giác.
Cho tứ diện . Chứng minh rằng .
Xem lời giải
Ta có: (đpcm).
Cho hình lập phương cạnh . Tính .
Xem lời giải
Theo quy tắc hình hộp: . là đường chéo hình lập phương . Vậy độ dài cần tìm là .
Cho hình chóp có đáy là hình bình hành tâm . Chứng minh .
Xem lời giải
Vì là trung điểm nên . Vì là trung điểm nên . Suy ra (đpcm).
Cho tứ diện . Gọi lần lượt là trung điểm . Chứng minh .
Xem lời giải
Ta có: (1) (2) Cộng (1) và (2): . Do là trung điểm nên và . Vậy .
Cho hình hộp . Tìm điểm sao cho .
Xem lời giải
Gọi là tâm của hình hộp. Ta biết tâm hình hộp là trung điểm của các đường chéo (như …). Tổng các vectơ từ điểm đến 8 đỉnh của hình hộp luôn bằng . Thật vậy: . Vậy trùng với tâm của hình hộp.
📝 Thực hành — Dạng 1
🔷 Dạng 2: Phân tích vectơ và Điều kiện đồng phẳng/Cùng phương
Phương pháp:
- Phân tích một vectơ theo 3 vectơ không đồng phẳng .
- Điều kiện để đồng phẳng: .
- Điều kiện 3 điểm thẳng hàng: .
Cho hình hộp . Phân tích theo .
Xem lời giải
Áp dụng quy tắc hình hộp trực tiếp: .
Cho tứ diện . Gọi là trọng tâm tứ diện. Phân tích theo .
Xem lời giải
Trọng tâm của tứ diện thỏa mãn: . .
Cho hình chóp . Gọi là trung điểm , là điểm trên sao cho . Phân tích theo .
Xem lời giải
.
Cho tứ diện . Gọi là các điểm thỏa mãn . Chứng minh .
Xem lời giải
Ta có . Vì nên cùng phương với , suy ra .
📝 Thực hành — Dạng 2
🔷 Dạng 3: Tích vô hướng và Góc trong không gian
Phương pháp:
- Tính tích vô hướng: .
- Tính góc: .
- Hai đường thẳng vuông góc khi tích vô hướng của hai vectơ chỉ phương bằng 0.
Cho hình lập phương . Tính góc giữa hai vectơ và .
Xem lời giải
Vì là hình vuông nên . Góc giữa hai vectơ và là .
Cho tứ diện đều cạnh . Tính tích vô hướng .
Xem lời giải
Vì tứ diện đều nên là tam giác đều cạnh , suy ra . .
Cho hình chóp có và các góc ở đỉnh đều bằng . Tính độ dài .
Xem lời giải
. Vậy . (Thực tế đều).
Cho tứ diện có và . Chứng minh .
Xem lời giải
(1) (2) Từ (1) và (2) . Vậy .
📝 Thực hành — Dạng 3
🔷 Dạng 4: Ứng dụng thực tế của vectơ trong không gian
Phương pháp:
- Biểu diễn các lực, vận tốc bằng vectơ.
- Lực tổng hợp:
- Công sinh bởi lực làm vật dịch chuyển : .
- Trạng thái cân bằng: .
Một vật có trọng lượng N được treo bởi 3 sợi dây không giãn cùng độ dài vào 3 điểm trên trần nhà sao cho là tam giác đều. Tìm lực căng của mỗi dây nếu các dây tạo với nhau góc .
Xem lời giải
Sử dụng quy tắc hình hộp hoặc phân tích lực. Do đối xứng, lực căng 3 dây . Hợp lực của 3 lực căng phải cân bằng với trọng lực . Chiếu lên trục thẳng đứng… (Dạng toán này thường dùng tọa độ sẽ nhanh hơn, nhưng dùng vectơ thuần túy cũng được). Kết quả: …
Một lực có độ lớn 50 N tác dụng lên một vật làm vật dịch chuyển một đoạn 10 m. Biết góc giữa lực và hướng dịch chuyển là . Tính công sinh bởi lực đó.
Xem lời giải
Công (J).
Câu 1. Cho hình hộp . a) Chứng minh . b) Gọi là tâm hình hộp. Chứng minh .
Câu 2. Cho tứ diện . Gọi là trung điểm . a) Chứng minh . b) Gọi là trung điểm . Chứng minh .
Câu 3. Cho hình lập phương cạnh . a) Tính tích vô hướng . b) Tính góc giữa hai đường thẳng và .
Câu 4. Cho hình chóp có và . a) Chứng minh các tam giác là các tam giác vuông cân. b) Tính độ dài các cạnh của tam giác .
Câu 5. Một chiếc đèn chùm có trọng lượng 100 N được treo vào trần nhà bằng 4 sợi dây hợp với phương thẳng đứng các góc . Tính lực căng của mỗi sợi dây.
Luyện tập trắc nghiệm
Câu hỏi ngẫu nhiên từ ngân hàng đề — kiểm tra kiến thức ngay!
🚀 Làm bài trắc nghiệm →