Giải SGK Toán 11 Chân trời sáng tạo Bài 3: Đường thẳng và mặt phẳng song song

Hoạt động khởi động: Đường thẳng a trên mép hiên của tòa nhà có điểm nào chung với mặt (P) của phố đi bộ Nguyễn Huệ không?

Trả lời:

- Đường thẳng a và mặt phẳng (P) không có điểm chung với nhau.

1. Đường thẳng song song với mặt phẳng

Khám phá 1: Cho hai hình bình hành ABCD và ABMN không đồng phẳng. Tìm số giao điểm của mặt phẳng (ABCD) lần lượt với các đường thẳng MN, MA và AC.

Trả lời:

- Đường thẳng MN giao với mặt phẳng (ABCD) không có giao điểm

- Đường thẳng MA giao với mặt phẳng (ABCD) có một giao điểm tại A

- Đường thẳng AC giao với mặt phẳng (ABCD) tại vô số điểm

Thực hành 1: Cho E và F lần lượt là trung điểm các cạnh AB và AC của tứ diện ABCD. Xác định vị trí tương đối của các đường thẳng BC, AD và EF với mặt phẳng (BCD).

Trả lời:

+) BC có hai điểm chung B và C với mặt phẳng (BCD), suy ra BC ⊂ (BCD).

+) AD có một điểm chung duy nhất D với mặt phẳng (BCD), suy ra AD cắt (BCD) tại D.

+) Nếu EF có điểm chung O với (BCD) thì O thuộc giao tuyến BC của hai mặt phẳng (ABC) và (BCD), suy ra EF cắt BC (mâu thuẫn với giải thiết EF là đường trung bình của tam giác ABC).

2. Điều kiện để một đường thẳng song song với một mặt phẳng

Khám phá 2: Cho đường thẳng a không nằm trong mặt phẳng (P) và a song song với một đường thẳng b nằm trong (P). Đặt (Q) =mp(A,b)

a) Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng (P) và (Q)

b) Giả sử a có điểm chung M với (P) thì điểm M phải nằm trên đường thẳng nào? Điều này có trái với giả thiết a//b hay không?

Trả lời:

a) Giao tuyến của hai mặt phẳng (P) và (Q) là b

b) Nếu a có điểm chung M với (P) thì điểm M phải nằm trên đường thẳng b (Do hai mặt phẳng chỉ giao nhau tại 1 giao tuyến)

Điều này trái với giả thiết a//b

Thực hành 2: Cho hình chóp S.ABC có A’, B’, C’ lần lượt là trung điểm của SA, SB, SC. Tìm các đường thẳng lần lượt nằm trong, cắt, song song với mặt phẳng (ABC).

Trả lời:

+) Ta có: đường thẳng AB chứa hai điểm A, B thuộc (ABC), suy ra AB ⊂ (ABC).

Tương tự ta có BC ⊂ (ABC), AC ⊂ (ABC)

Vì vậy các đường thẳng nằm trong mặt phẳng (ABC) là: AB, BC, AC.

+) Ta có: đường thẳng SA có điểm A chung với (ABC), duy ra SA cắt (ABC) tại A.

Tương tự ta có: SB, SC lần lượt cắt (ABC) tại B, C.

Vì vậy các đường thẳng cắt mặt phẳng (ABC) là: SA, SB, SC.

+) Ta có: A’B’ // AB mà AB ⊂ (ABC) nên A’B’ // (ABC).

Tương tự ta có: A’C’ // (ABC) và B’C’ // (ABC).

Vận dụng 1: Hãy chỉ ra trong Hình 9 các đường thẳng lần lượt nằm trong, song song, cắt mặt phẳng sàn nhà.

Trả lời:

- Các đường thẳng nằm trong mặt phẳng sàn nhà là: mép chân giường, chân tường, mép chân bàn, viền thảm trải sàn,…

- Các đường thẳng song song với mặt phẳng sàn nhà là: mép cạnh bàn, mép kệ, mép trần nhà, mép cửa sổ,…

- Các đường thẳng cắt mặt phẳng sàn nhà là: cạnh tường, cạnh thẳng đứng của kệ, tủ,…

3. Tính chất cơ bản của đường thẳng và mặt phẳng song song

Khám phá 3: Cho đường thẳng a song song với mặt phẳng (P), mặt phẳng (Q) chứa a và cắt (P) theo giao tuyết b (Hình 10). Trong (Q), hai đường thẳng a, b có bao nhiêu điểm chung?

Trả lời:

+) Nếu đường thẳng a cắt đường thẳng b tại một điểm M thì M ∈ (P), suy ra a và (P) có một điểm chung là M điều này trái với giả thiết là đường thẳng a // (P).

+) Nếu đường thẳng a và đường thẳng b trùng nhau thì a ⊂ (P), suy ra a và (P) có vô số điểm chung điều này trái với giả thiết là đường thẳng a // (P).

+) Nếu đường thẳng a song song với đường thẳng b thì a và b không có điểm chung nên điều này phù hợp với giả thiết là đường thẳng a // (P).

Vậy trong (Q) hai đường thẳng a và b không có điểm chung nào.

Khám phá 4: Cho hai đường thẳng chéo nhau a,b. Lấy một điểm M trên a, vẽ đường thẳng b' đi qua M và song song với b. Đặt (P) là mặt phẳng đi qua a,b',

a) Có nhận xét gì về mối quan hệ giữa b và (P)

b) Gọi (P') là mặt phẳng chứa a và song song với b. Có nhận xét gì về mối liên hệ giữa b' và (P'); (P) và (P')?

Trả lời:

a) b′⊂(P),b′//b nên b//(P)

b) b′⊂(P′)

(P) và (P') trùng nhau

Thực hành 3: Cho hình chóp S.ABC có ABCD là hình bình hành và M, N, E lần lượt là trung điểm của các đoạn thẳng AB, CD, SA (Hình 17). Chứng minh rằng:

a) MN song song với hai mặt phẳng (SBC) và (SAD);

b) SB và SC song song với mặt phẳng (MNE).

Trả lời:

a) Trong mặt phẳng (ABCD) có MN là đường trung bình của hình bình hành ABCD nên MN // BC// AD.

Ta có: MN // BC mà BC ⊂ (SBC) nên MN // (SBC).

Ta lại có: MN // AD mà AD ⊂ (SAD) nên MN // (SAD).

b)

Trong mặt phẳng (ABCD) gọi O là giao điểm của AC và BD, khi đó O là trung điểm của AC.

+) Xét tam giác SAC có E là trung điểm của SA, O là trung điểm của AC nên EO là đường trung bình của tam giác. Do đó EO // SC.

Mặt khác EO ⊂ (MNE) nên SC // (MNE).

+) Xét tam giác SAB có E là trung điểm của SA, M là trung điểm của AB nên EM là đường trung bình của tam giác. Do đó EM // SB.

Mặt khác EM ⊂ (MNE) nên SB // (MNE).

Vận dụng 2: Làm thế nào để đặt cây thước kẻ a để nó song song với các trang của một cuốn sách?

Để đặt cây thước kẻ 𝑎 song song các trang của một cuốn sách, ta đặt nó song song với mép cuốn sách.

Bài tập

Bài tập 1: Cho hình chóp S.ABCD, đáy ABCD là hình bình hành có O là giao điểm hai đường chéo. Gọi M là trung điểm của SC.

a) Chứng minh đường thẳng OM song song với hai mặt phẳng (SAD) và (SBD).

b) Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng (OMD) và (SAD).

Trả lời:

a) Trong mặt phẳng (SAC) có OM // SA mà SA ⊂ (SAD) nên OM // (SAD).

Mặt khác SA ⊂ (SAB) nên OM // (SAB).

b) Ta có: D ∈ (OMD) ∩ (SAD) mà OM // SA nên giao tuyến của hai mặt phẳng (OMD) và (SAD) là đường thẳng s đi qua D và song song với SA.

Bài tập 2: Cho hai hình bình hành ABCD và ABEF không nằm trong cùng một mặt phẳng. Gọi O và O' lần lượt là tâm của ABCD và ABEF.

a) Chứng minh đường thẳng OO' song song với các mặt phẳng (CDEF), (ADF) và (BCE)

b) Gọi M và N lần lượt là trung điểm của AF và BE. Chứng minh MN//(CDFE)

c) Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng (OMN) và (ABCD)

Trả lời: