Câu 4HSGChuyên đề: Tọa độ hóa bài toán hình không gian • Lớp 12Khoảng cách hai đường thẳng OxyzGóc hai mặt OxyzVận dụng cao#secondary:M12.G04.LINE_LINE_POSITION.L3.DISTANCE#secondary:M12.G06.PLANE_PLANE_POSITION.L3.ANGLE

1. Tại buổi triển lãm, một viên đá quý được trưng bày trên giá đỡ có dạng hình chóp , đáy là tam giác cân tại nằm trên mặt bàn và vuông góc với mặt bàn. Viên đá quý có hình dạng một khối tứ diện đều có hai cạnh đối lần lượt nằm trên hai đường thẳng chứa cạnh và đường cao của tam giác như hình vẽ. Biết , góc giữa hai mặt phẳng và bằng .
Hình từ đề gốc
a) Chứng minh rằng tam giác vuông cân.
b) Tính thể tích của viên đá quý.

2. Một tàu vũ trụ đang ở cách mặt phẳng ranh giới giữa hai nửa không gian một khoảng bằng . Phi hành đoàn biết điều đó nhưng không chắc chắn phải đi theo hướng nào để chạm đến ranh giới. Tàu vũ trụ có thể di chuyển trong không gian theo bất kỳ đường đi nào, đồng thời ghi lại độ dài quãng đường đã di chuyển và tàu có thiết bị cảm biến báo hiệu khi đã đến ranh giới. Liệu phi hành đoàn có thể chắc chắn đến được mặt phẳng ranh giới hay không, với điều kiện quãng đường di chuyển không quá ?
Hình từ đề gốc

Đáp án chính thức: Tự luận
Hướng dẫn giải chi tiết
Lời giải.

1. a) Gắn trục tọa độ như hình vẽ:

Hình từ đề gốc

Chọn mặt phẳng đáy là mặt phẳng . vì nên Đặt

Do tam giác cân tại , đặt:

Khi đó:

Trong tam giác , do nên .
Ta có:

Một vectơ vuông góc với là:

vì

Vậy có thể chọn vecto chỉ phương của là:

Vì hai cạnh đối của tứ diện đều vuông góc nhau nên:

Ta có:

Do đó:

Vì , suy ra:

Thế vào , được

Theo hình vẽ, chọn:

Do đó: , mà tam giác ABC cân tại B nên tam giác ABC vuông cân tại B.

b) Xét góc giữa hai mặt phẳng và , ta có:

Suy ra một vectơ pháp tuyến của là

Mặt khác:

Nên một vectơ pháp tuyến của là:

Vì góc giữa hai mặt phẳng và bằng , nên:

Do đó

Suy ra

Vì , nên

Khi đó tam giác vuông cân tại , nên

Suy ra đường cao từ xuống là

Lại có , đặt

Khi đó

Vậy

Ta có

Khoảng cách giữa hai đường thẳng và là:

Gọi là cạnh của tứ diện đều. Ta chứng minh:
Với tứ diện đều, khoảng cách giữa hai cạnh đối bằng: và thể tích tứ diện bằng: .
Thật vậy, xét tứ diện đều có các cạnh bằng a:

Hình từ đề gốc

Gọi là trung điểm , là trọng tâm của tam giác .
Đặt , ta có:

Xét tam giác đều có:

Mặt khác:

Suy ra:

Ta lại có:

Áp dụng bài toán ta có, giả sử viên kim cương tứ diện đều có cạnh bằng .
Suy ra:

Thể tích tứ diện đều cạnh là

Vậy

Vậy vuông cân tại và

2. Gọi là vị trí ban đầu của tàu.
Vì mặt phẳng ranh giới cách một khoảng đúng bằng , nên nó luôn là một mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu tâm , bán kính .
Ta dựng một bát diện đều có tâm và mặt cầu nội tiếp chính là mặt cầu đó. Khi đó khoảng cách từ đến mỗi mặt của bát diện đều bằng . (Hình vẽ chỉ mang tính chất minh họa)

Hình từ đề gốc

Gọi là cạnh bát diện đều. Ta có bán kính mặt cầu nội tiếp của bát diện đều là

Do , suy ra

Khoảng cách từ tâm đến mỗi đỉnh của bát diện đều là

Ta cho tàu bay như sau:
- Từ bay thẳng đến một đỉnh của bát diện: quãng đường là .
- Sau đó bay dọc theo 5 cạnh liên tiếp để đi qua cả 6 đỉnh của bát diện: quãng đường là .
Vậy tổng quãng đường là

Bây giờ ta chứng minh cách đi này luôn gặp mặt phẳng ranh giới.
Vì mặt phẳng ranh giới tiếp xúc với mặt cầu nội tiếp nên nó sẽ cắt khối bát diện thành hai phần, do đó trong 6 đỉnh của bát diện luôn có đỉnh nằm ở hai phía khác nhau của mặt phẳng.
Mà tàu đi liên tiếp qua tất cả 6 đỉnh, nên sẽ có ít nhất một đoạn bay nối hai đỉnh nằm khác phía. Khi đó đoạn thẳng ấy chắc chắn cắt mặt phẳng ranh giới.
Vì thế tàu chắc chắn chạm được mặt phẳng ranh giới.
Kết luận: phi hành đoàn có thể chắc chắn đến được mặt phẳng ranh giới với quãng đường không vượt quá .
Câu hỏi này trích từ đề thi chính thức:

Đề Thi Học Sinh Giỏi Lớp 12 Toán 2025-2026 Sở GD&ĐT TP Hồ Chí Minh

5 câu hỏi•Thời gian 120 phút•Chấm điểm & giải thích chi tiết

Các câu hỏi khác trong đề (5 câu)

Xem toàn bộ đề →
Hình học • Lớp 12

Bài tập trắc nghiệm cùng chuyên đề: Tọa độ hóa bài toán hình không gian (242 câu)

Câu luyện thêm 1Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ I Toán 11 THPT Nguyễn Thị Minh Khai Sở GD&ĐT Hà Nội 2025-2026
Cho hình chóp , đáy là hình vuông có cạnh bằng 4 cm. và cắt nhau tại . vuông cân tại . Lấy điểm nằm trên sao cho . Đường thẳng cắt mặt phẳng tại điểm . Độ dài của là bao nhiêu?
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 2Trích từ: Đề Kiểm Tra Cuối Học Kỳ I Toán 12 THPT Nguyễn Thái Bình TP.HCM 2025-2026
Khi khắc phục hậu quả của thiên tai, bão lũ, một trong những giải pháp nhằm tiếp tế hàng cứu trợ đến những nơi khó tiếp cận là sử dụng flycam để xác định vị trí chính xác của người cần cứu trợ, sau đó sử dụng drone để vận chuyển các vật dụng thiết yếu thả xuống cho người này, giúp họ có thể cầm cự trong khi chờ đợi lực lượng cứu hộ đến nơi. Hai chiếc drone làm nhiệm vụ chuyển hàng cứu trợ bay lên từ cùng một địa điểm. Chiếc thứ nhất bay đến điểm cách điểm xuất phát 2,5 km về phía nam và 1,5 km về phía đông, đồng thời cách mặt đất 60 m. Chiếc thứ hai bay đến điểm cách điểm xuất phát 3 km về phía bắc và 2,5 km về phía tây, đồng thời cách mặt đất 40 m. Trong không gian, xét hệ tọa độ với gốc tọa độ đặt tại điểm xuất phát của hai drone, mặt phẳng trùng với mặt đất (được coi là mặt phẳng). Giả sử trong trường hợp khẩn cấp, cần tìm một vị trí trên mặt đất để tiếp nhiên liệu và các vật dụng cứu trợ cho hai drone sao cho tổng khoảng cách từ vị trí tiếp nhiên liệu đó tới hai drone nhỏ nhất. Vị trí cần tìm cách gốc tọa độ km theo hướng bắc và km theo hướng tây. Khi đó bằng bao nhiêu?
Hình từ đề gốc
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 3Trích từ: Đề Khảo Sát Chất Lượng Toán 12 Sở GD&ĐT Thanh Hóa 2024-2025 - Lần 1 - Đề Số 1
Trong không gian , cho ba điểm , và . Gọi là một điểm nằm trên mặt phẳng sao cho . Tìm giá trị nhỏ nhất của ? (Kết quả làm tròn đến hàng phần trăm)
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 4Trích từ: Đề Khảo Sát Học Sinh Giỏi Toán 12 Liên Trường THPT Đà Nẵng
Cho hình chóp có đáy là hình chữ nhật, và . Gọi là trung điểm của . Biết .
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 5Trích từ: Khảo Sát Đội Tuyển HSG Toán 12 Sở GD&ĐT Thanh Hóa THPT Thạch Thành 3 2025-2026
Bên trong một căn nhà bỏ hoang hình lập phương cạnh có 3 chú nhện sinh sống. Mùa đông đến, vì đói rét nên chúng đành quyết định hợp tác với nhau giăng lưới để bắt mồi. Ba chú nhện tính toán sẽ giăng một mảnh lưới hình tam giác theo cách sau: Mỗi chú nhện sẽ đứng ở mép tường bất kì (có thể mép giữa 2 bức tường, giữa tường với trần, hoặc giữa tường với nền) rồi phóng những sợi tơ làm khung đến vị trí của 2 con nhện còn lại rồi sau đó mới phóng tơ đính dán phần lưới bên trong. Chúng quy định không có bất kì 2 con nhện nào cùng nằm trên một mặt tường, nền hoặc trần nhà. Chu vi nhỏ nhất của mảnh lưới được giăng (biết các sợi tơ khung căng và không nhùn) là với ; là phân số tối giản. Tính giá trị của biểu thức .
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 6Trích từ: Khảo Sát Chất Lượng Đội Tuyển HSG Cấp Tỉnh Toán 12 Sở GD&ĐT Phú Thọ 2025-2026 - Đề Số 1
Hai quả bóng bay được thả lên cùng một địa điểm. Sau một khoảng thời gian, quả bóng thứ nhất nằm cách địa điểm xuất phát 200m về hướng Đông và 200m về hướng Nam, đồng thời cách mặt đất 50m; quả bóng thứ hai nằm cách địa điểm xuất phát 100m về hướng Tây và 100m về hướng Bắc, đồng thời cách mặt đất 40m. Cùng thời điểm đó, một người đứng trên mặt đất quan sát thấy hai quả bóng này. Biết rằng so với các vị trí quan sát trên mặt đất, vị trí người đứng có tổng khoảng cách đến hai quả bóng bay là nhỏ nhất. Tính khoảng cách từ vị trí người quan sát đến địa điểm thả hai quả bóng bay này (đơn vị: mét) (kết quả làm tròn đến hàng đơn vị).
Xem trang câu hỏi →

Muốn biết hiện tại bạn đạt khoảng bao nhiêu điểm ở môn này? Làm thử đề nhanh 15 phút để hệ thống chấm điểm ngay.

Làm đề nhanh 15 phút ngay