Mở đầu trang 38 Toán 11 Tập 2: Vào khoảng thời gian giữa mùa hè, ở phía bắc của vòng Bắc Cực (như một số vùng phía bắc của Na Uy, Phần Lan, Nga,...), Mặt Trời có thể được nhìn thấy trong suốt 24 giờ của ngày. Hình học giải thích hiện tượng này như thế nào?
Lời giải:
Trong cả ngày 22 tháng 6 của năm, hình chiếu của trục Trái Đất trên mặt phẳng quỹ đạo (P) gần như chính là đường thẳng ∆ nối giữa tâm Trái Đất, tâm Mặt Trời và cực Bắc của Trái Đất nghiêng về phía Mặt Trời (hình dưới). Do đó, góc giữa trục Trái Đất và đường nối hai tâm xấp xỉ bằng 66,5°. Mặt khác, Mặt Trời chiếu sáng nửa Trái Đất được cắt bởi mặt phẳng vuông góc với ∆. Vì vậy, trong cả ngày 22 tháng 6, mặc dù Trái Đất quay quanh trục và di chuyển trên quỹ đạo, nhưng gần như toàn bộ vùng có vĩ độ Bắc lớn hơn 66,5° (phía bắc vòng Bắc Cực) luôn được Mặt Trời chiếu sáng.
1. Phép chiếu vuông góc
HĐ1 trang 38 Toán 11 Tập 2: Trên sân phẳng có một cây cột thẳng vuông góc với mặt sân.
a) Dưới ánh sáng mặt trời, bóng của cây cột trên sân có thể được nhìn như là hình chiếu của cây cột qua một phép chiếu song song hay không?
b) Khi tia sáng mặt trời vuông góc với mặt sân, liệu ta có thể quan sát được bóng của cây cột trên sân hay không?
Lời giải:
a) Bóng của cây cột trên sân có thể được nhìn như là hình chiếu của cây cột qua một phép chiếu song song theo phương tia sáng mặt trời lên mặt sân.
b) Khi tia sáng mặt trời vuông góc với mặt sân thì hình chiếu của cột thu về chân cột nên ta không thể quan sát được bóng của cây cột trên sân.
Câu hỏi trang 39 Toán 11 Tập 2: a) Nếu A là một điểm không thuộc mặt phẳng (P) và A' là hình chiếu của A trên (P) thì đường thẳng AA' có quan hệ gì với mặt phẳng (P)?
b) Nếu đường thẳng a vuông góc với mặt phẳng (P) thì hình chiếu của a trên (P) là gì?
Lời giải:
a) Nếu A là một điểm không thuộc mặt phẳng (P) và A' là hình chiếu của A trên (P) thì đường thẳng AA' vuông góc với mặt phẳng (P).
b) Nếu đường thẳng a vuông góc với mặt phẳng (P) thì hình chiếu của a trên (P) là một điểm chính là giao điểm của a và (P).
HĐ2 trang 39 Toán 11 Tập 2: Cho đường thẳng a và mặt phẳng (P) không vuông góc với nhau. Xét b là một đường thẳng nằm trong (P). Trên a, lấy hai điểm M, N tùy ý. Gọi M', N' tương ứng là hình chiếu của M, N trên mặt phẳng (P) (H.7.34).
a) Hình chiếu của a trên mặt phẳng (P) là đường thẳng nào?
b) Nếu b vuông góc với M'N' thì b có vuông góc với a hay không?
c) Nếu b vuông góc với a thì b có vuông góc với M'N' hay không?
Lời giải:
a) Vì M', N' tương ứng là hình chiếu của M, N trên mặt phẳng (P) nên hình chiếu của a trên mặt phẳng (P) là đường thẳng a' đi qua hai điểm M', N'.
b) Do M' là hình chiếu của M trên mặt phẳng (P) nên M'M ⊥ (P), mà b thuộc (P) nên M'M ⊥ b.
Vì b ⊥ M'N' và b ⊥ M'M nên b ⊥ mp(M'N', M'M).
Mà a thuộc mp(M'N', M'M) nên b ⊥ a.
c) Do M' là hình chiếu của M trên mặt phẳng (P) nên M'M ⊥ (P), mà b thuộc (P) nên M'M ⊥ b.
Vì b ⊥ a và b ⊥ M'M nên b ⊥ mp(a, M'M).
Mà M'N' thuộc mp(a, M'M) nên b ⊥ M'N'.
Luyện tập 1 trang 40 Toán 11 Tập 2: Cho hình chóp S.ABC có SA = SB = SC. Gọi O là hình chiếu của S trên mặt phẳng (ABC) (H.7.36).
a) Chứng minh rằng O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC.
b) Xác định hình chiếu của đường thẳng SA trên mặt phẳng (ABC).
c) Chứng minh rằng nếu AO ⊥ BC thì SA ⊥ BC.
d) Xác định hình chiếu của các tam giác SBC, SCA, SAB trên mặt phẳng (ABC).
Lời giải:
a) Vì O là hình chiếu của S trên mặt phẳng (ABC) nên SO ⊥ (ABC), suy ra SO ⊥ OA, SO ⊥ OB, SO ⊥ OC.
Xét tam giác SOA vuông tại O, có SO2 + OA2 = SA2.
Xét tam giác SOB vuông tại O, có SO2 + OB2 = SB2.
Xét tam giác SOC vuông tại O, có SO2 + OC2 = SC2.
Mà SA = SB = SC nên OA = OB = OC hay O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC.
b) O là hình chiếu của S trên mặt phẳng (ABC), A là hình chiếu của A trên mặt phẳng (ABC). Do đó OA là hình chiếu của SA trên mặt phẳng (ABC).
c) Vì SO ⊥ (ABC) nên SO ⊥ BC mà AO ⊥ BC nên BC ⊥ (SAO), suy ra BC ⊥ SA.
d) O là hình chiếu của S trên mặt phẳng (ABC).
A là hình chiếu của A trên mặt phẳng (ABC).
B là hình chiếu của B trên mặt phẳng (ABC).
C là hình chiếu của C trên mặt phẳng (ABC).
Do đó hình chiếu của các tam giác SBC, SCA, SAB trên mặt phẳng (ABC) lần lượt là: OBC, OCA, OAB.
2. Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
HĐ3 trang 40 Toán 11 Tập 2: Một máy bay giữ vận tốc không đổi, với độ lớn 240 km/h trong suốt 2 phút đầu kể từ khi cất cánh. Hỏi thông tin trên có đủ để ta xác định độ cao của máy bay so với mặt đất phẳng, tại thời điểm 1 phút kể từ khi máy bay cất cánh không?
Lời giải:
Thông tin trên chưa đủ để ta xác định độ cao của máy bay so với mặt đất phẳng, tại thời điểm 1 phút kể từ khi máy bay cất cánh.
Vận dụng trang 42 Toán 11 Tập 2: Tâm Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo là một đường elip nhận tâm Mặt Trời làm tiêu điểm. Trong quá trình chuyển động, Trái Đất lại quay quanh trục Bắc Nam. Trục này có phương không đổi và luôn tạo với mặt phẳng chứa quỹ đạo một góc khoảng 66,5°.
(Theo nationalgeographic.org).
a) Giải thích vì sao hình chiếu của trục Trái Đất trên mặt phẳng quỹ đạo (P) cũng có phương không đổi.
b) Giải thích vì sao có hai thời điểm trong năm mà tại đó hình chiếu của trục Trái Đất trên mặt phẳng (P) thuộc đường thẳng nối tâm Mặt Trời và tâm Trái Đất.
Lời giải:
a)
Gọi a, b là hai vị trí của trục Trái Đất, a // b.
Gọi a', b' tương ứng là hình chiếu của a, b trên (P).
Hai mặt phẳng mp(a, a') và mp(b, b') chứa hai phương tương ứng song song với nhau đó là các phương cùng vuông góc với (P) và a // b. Do đó hai mặt phẳng mp(a, a') và mp(b, b') song song với nhau hoặc trùng nhau. Suy ra giao tuyến của chúng với (P) là a' và b' cũng song song hoặc trùng nhau.
b) Hình chiếu của trục Trái Đất lên mặt phẳng (P) có phương cố định. Gọi m là đường thẳng đi qua tâm Mặt Trời và có phương cố định nói trên. Khi đó, hình chiếu của trục Trái Đất xuống (P) thuộc đường thẳng m khi và chỉ khi tâm Trái Đất ở vị trí là giao của m với đường elip quỹ đạo của Trái Đất. Như vậy có hai vị trí thuộc quỹ đạo, ứng với hai thời điểm trong năm mà hình chiếu của trục Trái Đất trên (P) thuộc đường thẳng m (nối tâm Mặt Trời và tâm Trái Đất).
Khám phá trang 42 Toán 11 Tập 2: Cho đường thẳng ∆ vuông góc với mặt phẳng (P). Khi đó, với một đường thẳng a bất kì, góc giữa a và (P) có mối quan hệ gì với góc giữa a và ∆?
Lời giải:
Ta xét 3 trường hợp sau:
Trường hợp 1: a ⊥ (P).
Vì a ⊥ (P) và ∆ ⊥ (P) nên a // ∆. Khi đó (a, ∆) = 0°; (a, P) = 90°.
Trường hợp 2: a // (P) hoặc a thuộc (P).
Vì a // (P) hoặc a thuộc (P) và ∆ ⊥ (P) nên a ⊥ ∆. Khi đó (a, ∆) = 90°; (a, P) = 0°.
Trường hợp 3: a không vuông góc với (P) và a cắt (P) tại O.
Lấy điểm A khác O thuộc a và gọi H là hình chiếu vuông góc của A trên (P).
Có AH ⊥ (P) và ∆ ⊥ (P) nên AH // ∆.
Khi đó (∆, a) = (AH, a) = HAO = 90° − HOA = 90° − (a,P).
Vậy góc giữa a và ∆ phụ thuộc vào góc giữa a và (P).
Trải nghiệm trang 42 Toán 11 Tập 2: Đo góc giữa một sợi dây kéo căng và mặt bàn hoặc sàn lớp học. (Có thể cho một đầu dây thuộc mặt bàn, mặt sàn để thuận tiện hơn cho việc đo).
Lời giải:
Để đo góc giữa một sợi dây kéo căng và mặt bàn hoặc sàn lớp học ta có thể làm như sau:
Bước 1: Đặt một đầu dây lên mặt bàn hoặc sàn lớp học và giữ cho sợi dây căng thẳng.
Bước 2: Xác định hình chiếu vuông góc của dây trên mặt bàn hoặc sàn lớp học.
Bước 3: Dùng thước đo góc để đo góc tạo bởi sợi dây và hình chiếu của dây trên mặt bàn hoặc sàn lớp học.
Bước 4: Ghi lại kết quả đo.
