Câu hỏi khởi động: Trong thực tế, ta quan sát thấy nhiều hình ảnh gợi nên những đường thẳng song song với nhau. Chẳng hạn các cột treo cờ của tổ chức các nước thành viên ASEAN (Hình 30).
Hai đường thẳng song song trong không gian có tính chất gì?
Trả lời:
- Hai đường thẳng song song trong không gian là hai đường thẳng cùng nằm trong một mặt phẳng và không có điểm chung.
I. Vị trí tương đối của hai đường thẳng phân biệt
Hoạt động 1:
a) Hãy nêu các vị trí tương đối của hai đường thẳng trong mặt phẳng.
b) Quan sát hai đường thẳng a và b trong Hình 31a, 31b và cho biết các đường thẳng đó có cùng nằm trong một mặt phẳng không.
Trả lời:
a) Các vị trí tương đối của hai đường thẳng trong mặt phẳng:
- Hai đường thẳng không có điểm chung thì hai đường thẳng song song
- Hai đường thẳng có một điểm chung thì hai đường thẳng cắt nhau
- Hai đường thẳng có rất nhiều điểm chung thì hai đường thẳng trùng nhau
b) Hai đường thẳng a và b ở Hình 31a cùng nằm trong một mặt phẳng
Hai đường thẳng a và b ở Hình 31b không cùng nằm trong một mặt phẳng
Luyện tập, vận dụng 1: Quan sát một phần căn phòng (Hình 35), hãy cho biết vị trí tương đối của các cặp đường thẳng a và b; a và c; b và c.
Trả lời:
– Hai đường thẳng a và b cùng nằm trong một mặt phẳng là tường nhà và hai đường thẳng này song song với nhau.
– Hai đường thẳng a và c không cùng nằm trên một mặt phẳng do đó hai đường thẳng này chéo nhau.
– Hai đường thẳng b và c cùng nằm trên một mặt phẳng trần nhà và hai đường thẳng này cắt nhau.
II. Tính chất
Hoạt động 2: Trong không gian, cho điểm M và đường thẳng d không đi qua điểm M (Hình 36). Nêu dự đoán về số đường thẳng đi qua điểm M và song song với đường thẳng d.
Trả lời:
- Có một và chỉ một đường thẳng đi qua điểm M và song song với đường thẳng d.
Hoạt động 3: Cho ba mặt phẳng (P), (Q), (R) đôi một cắt nhau theo ba giao tuyến phân biệt a, b, c, trong đó a = (P) ∩ (R), b = (Q) ∩ (R), c = (P) ∩ (Q).
– Nếu hai đường thẳng a và b cắt nhau tại điểm M thì đường thẳng c có đi qua điểm M hay không (Hình 38a)?
– Nếu đường thẳng a song song với đường thẳng b thì đường thẳng a có song song với đường thẳng c hay không (Hình 38b)?
Trả lời:
– Ta có: a ∩ b = {M}
Mà a ⊂ (P); b ⊂ (Q)
Nên M ∈ (P) và M ∈ (Q)
Do đó M là giao điểm của (P) và (Q).
Mà (P) ∩ (Q) = c, suy ra M ∈ c.
Vậy đường thằng c đi qua điểm M.
– Giả sử trong mặt phẳng (P) có a ∩ c = {N}.
Khi đó N ∈ a mà a ⊂ (R) nên N ∈ (R)
N ∈ c mà c ⊂ (Q) nên N ∈ (Q)
Do đó N là giao điểm của (R) và (Q).
Mà (Q) ∩ (R) = b
Suy ra N ∈ b.
Vì thế a và b có điểm chung là N (mâu thuẫn với giả thiết a và b song song).
Vậy nếu đường thẳng a song song với đường thẳng b thì đường thẳng a và b song song với đường thẳng c.
Luyện tập, vận dụng 2: Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình bình hành. Xác định giao tuyến của các cặp mặt phẳng (SAB) và (SCD); (SAD) và (SBC).
Trả lời:
• Ta có: S ∈ (SAB) và S ∈ (SCD) nên S là giao điểm của (SAB) và (SCD).
Mà AB // CD;
AB ⊂ (SAB);
CD ⊂ (SCD).
Do đó giao tuyến của (SAB) và (SCD) là đường thẳng n đi qua S và song song với AB và CD.
• Ta có: S ∈ (SAD) và S ∈ (SBC) nên S là giao điểm của (SAD) và (SBC).
Mà AD // BC
AD ⊂ (SAD);
BC ⊂ (SBC).
Do đó giao tuyến của (SAD) và (SBC) là đường thẳng p đi qua S và song song với AD và BC.
Hoạt động 4: Trong mặt phẳng, hãy nêu vị trí tương đối của hai đường thẳng phân biệt cùng song song với đường thẳng thứ ba.
Trả lời:
- Trong không gian, hai đường thẳng phân biệt cùng song song với đường thẳng thứ ba thì song song với nhau
Luyện tập, vận dụng 3: Cho hình chóp S.ABC. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của các đoạn thẳng SA, SC. Lấy các điểm P, Q lần lượt thuộc các đoạn thẳng AB, BC sao cho . Chứng minh rằng MN song song với PQ.
Trả lời:
+) Xét tam giác SAC, có:
M là trung điểm SA, N là trung điểm của SC
Do đó MN là đường trung bình của tam giác SAC.
Suy ra MN // AC (1)
+) Xét tam giác ABC, có :
Suy ra PQ // AC (định lí Thalès đảo) (2)
Từ (1) và (2) suy ra MN // PQ.
Bài tập
Bài tập 1: Quan sát phòng học của lớp và nêu lên hình ảnh của hai đường thẳng song song, cắt nhau, chéo nhau.
Trả lời:
- Hình ảnh hai đường thẳng song song: hai mép bảng trên và dưới.
- Hình ảnh hai đường thẳng cắt nhau: hai đường chân tường liền kề nhau.
- Hình ảnh hai đường thẳng chéo nhau: cột dọc và chân tường đối diện.
Bài tập 2: Quan sát Hình 43 và cho biết vị trí tương đối của hai trong ba cột tuabin gió có trong hình.
Trả lời:
Vị trí tương đối của hai trong ba cột tuabin có trong hình là hai đường thẳng song song.
Bài tập 3: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình bình hành. Gọi M, N, P lần lượt là trung điểm của các cạnh SA, AB, SD. Xác định giao tuyến của mỗi cặp mặt phẳng sau: (SAD) và (SBC); (MNP) và (ABCD).
Trả lời:
+) Ta có: ABCD là hình bình hành nên AD // BC
Mà AB ⊂ (SAB);
BC ⊂ (SBC);
S ∈ (SAB) và S ∈ (SBC).
Vì vậy giao tuyến của hai mặt phẳng là đường thẳng d đi qua S và song song với AD và BC.
Vậy (SAB) ∩ (SBC) = d.
+) Trong tam giác SAD, có: M, P lần lượt là trung điểm của SA, SD
Do đó MP là đường trung bình nên MP // AD.
Mà MP ⊂ (MNP);
AD ⊂ (ABCD);
N ∈ (MNP) và N ∈ (ABCD).
Vì vậy giao tuyến của hai mặt phẳng là đường thẳng đi qua N và song song với AD và BC, cắt CD tại Q.
Vậy (MNP) ∩ (ABCD) = NQ.
Bài tập 4: Cho tứ diện ABCD. Gọi G1, G2 lần lượt là trọng tâm của các tam giác ABC, ABD. Chứng minh rằng đường thẳng G1G2 song song với đường thẳng CD.
Trả lời:
+) Trong mặt phẳng ABC, kẻ đường trung tuyến AM (M ∈ BC).
Do G1 là trọng tâm của tam giác ABC nên .
+) Trong mặt phẳng ABD, kẻ đường trung tuyến AN (N ∈ BD).
Do G2 là trọng tâm của tam giác ABD nen .
+) Xét tam giác AMN, có nên G1G2 // MN (định lí Thalès đảo).
+) Xét tam giác BCD, có: M, N lần lượt là trung điểm của BC, BD
Do đó MN là đường trung bình của tam giác BCD.
Suy ra MN // CD.
Mà G1G2 // MN (chứng minh trên) nên G1G2 // CD.
Bài tập 5: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang với AB là đáy lớn và AB = 2CD. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của các cạnh SA và SB. Chứng minh rằng đường thẳng NC song song với đường thẳng MD.
Trả lời:
Ta có:MN là đường trung bình của tam giác SAB
Suy ra MN // AB và MN = AB.
Lại có AB // CD (do ABCD là hình thang) và AB = 2CD hay CD = AB
Suy ra: MN//CD, MN = CD.
Từ (1) và (2) suy ra MNCD là hình bình hành
Vậy NC // MD.
Bài tập 6: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình bình hành. Gọi M, N, P, Q lần lượt là trung điểm của các cạnh AB, BC, CD, DA; I, J, K, L lần lượt là trung điểm của các đoạn thẳng SM, SN, SP, SQ.
a) Chứng minh rằng bốn điểm I, J, K, L đồng phẳng và tứ giác IJKL là hình bình hành.
b) Chứng minh rằng IK // BC.
c) Xác định giao tuyến của hai mặt phẳng (IJKL) và (SBC).
Trả lời:
a)
Trong tam giác SMN, có: IJ // MN (tính chất đường trung bình) và IJ = MN.
Trong tam giác SQP, có: LK // QP (tính chất đường trung bình) và LK = PQ.
Mà QP // AC // MN (tính chất đường trung bình) và PQ = MN = AC
Do đó IJ // LK và IJ = LK
Vậy qua hai đường thẳng song song ta xác định được duy nhất một mặt phẳng chứa hai đường thẳng song song đó hay I, J, K, L đồng phẳng.
Xét tứ giác IJKL có IJ // LK và IJ = LK nên IJKL là hình bình hành.
b)
Trong tam giác SMP có: IK // MP (tính chất đường trung bình tam giác SMP)
Mà MP // AD // BC (tính chất đường trung bình của hình thang)
Suy ra IK // BC.
c) Ta có: J ∈ SN mà SN ⊂ (SBC) nên J ∈ (SBC)
Lại có J ∈ (IJKL)
Do đó J là giao điểm của (IJKL) và (SBC).
Mặt khác: IK // BC (chứng minh trên);
IK ⊂ (IJKL);
BC ⊂ (SBC).
Do đó giao tuyến của hai mặt phẳng (IJKL) và (SBC) là đường thẳng đi qua J song song với BC cắt SB, SC lần lượt tại B’ và C’.
Vậy (IJKL) ∩ (SBC) = B’C’.
Bài tập 7: Cho tứ diện ABCD. Gọi I, J lần lượt là trung điểm của các cạnh BC, CD. Trên cạnh AC lấy điểm K. Gọi M là giao điểm của BK và AI, N là giao điểm của DK và AJ. Chứng minh rằng đường thẳng MN song song với đường thẳng BD.
Trả lời:
• Ta có: B ∈ (BDK) và B ∈ (BCD) nên B là giao điểm của (BDK) và (BCD).
D ∈ (BDK) và D ∈ (BCD) nên D là giao điểm của (BDK) và (BCD).
Do đó (BDK) ∩ (BCD) = BD.
• Ta có: M ∈ BK mà BK ⊂ (BDK) nên M ∈ (BDK);
M ∈ AI mà AI ⊂ (AIJ) nên M ∈ (AIIJ)
Do đó M là giao điểm của (BDK) và (AIJ)
Tương tự ta cũng có N là giao điểm của (BDK) và (AIJ)
Suy ra (BDK) ∩ (AIJ) = MN.
• Ta có: I ∈ BC mà BC ⊂ (BCD) nên I ∈ (BCD)
Lại có I ∈ (AIJ) nên I là giao điểm của (BCD) và (AIJ)
Tương tự ta cũng có J là giao điểm của (BCD) và (AIJ)
Suy ra (BCD) ∩ (AIJ) = IJ.
• Xét DBCD có I, J lần lượt là trung điểm của BC, CD nên IJ là đường trung bình của tam giác
Do đó IJ // BD.
• Ta có: (BDK) ∩ (BCD) = BD;
(BDK) ∩ (AIJ) = MN;
(BCD) ∩ (AIJ) = IJ;
IJ // BD.
Suy ra MN // BD.