Bài giảng môn học Hình học lớp 11 - Phép chiếu song song hình biểu diễn của một hình không gian

Chủ đề 7: PHÉP CHIẾU SONG SONG HÌNH BIỂU DIỄN CỦA MỘT HÌNH KHÔNG GIAN I.KIẾN THỨC VÀ KĨ NĂNG CƠ BẢN: A.Kiến thức cơ bản: 1/Phép chiếu song song: Trong không gian, cho mặt phẳng (P) và đường thẳng d cắt (P). Với mỗi điểm M trong không gian, đường thẳng đi qua M và song song hoặc trùng với d sẽ cắt (P) tại điểm M’. Phép đặt tương ứng mỗi điểm M trong không gian với điểm M’ của mặt phẳng (P) như trên gọi là phép chiếu song song lên mặt phẳng (P) theo phương d. + Mặt phẳng (P) gọi là mặt phẳng chiếu, đường thẳng d gọi là phương chiếu, điểm M’ gọi là hình chiếu song song (hoặc ảnh) của điểm M’ qua phép chiếu song song. + Cho hình (H). Tập hợp (H’) gồm hình chiếu song song của tất cả các điểm thuộc (H) gọi là hình chiếu song song (hoặc ảnh) của hình (H) qua phép chiếu nói trên. 2/Tính chất: Chú ý: Trong các tính chất dưới đây của phép chiếu song song theo phuơng d, ta chỉ xét hình chiếu song song của các đoạn thẳng hoặc đường thẳng không song song và không trùng với d. Phép chiếu song song biến 3 điểm thẳng hàng thành 3 điểm thẳng hàng và không làm thay đổi thứ tự 3 điểm đó. Phép chiếu song song biến đường thẳng thành đường thẳng, biến tia thành tia, biến đoạn thẳng thành đoạn thẳng. Phép chiếu song song biến 2 đường thẳng song song thành 2 đường thẳng song song hoặc trùng nhau. Phép chiếu song song không làm thay đổi tỉ số độ dài của 2 đoạn thẳng nằm trên 2 đường thẳng song song hoặc cùng nằm trên 1 đường thẳng. 3/Hình biểu diễn của 1 hình không gian: Định nghĩa: Hình biểu diến của 1 hình (H) trong không gian là hình chiếu song song của hình (H) trên 1 mặt phẳng hoặc hình đồng dạng với hình chiếu đó. Qui tắc vẽ hình biểu diễn: Nếu trên hình (H) có 2 đoạn thẳng nằm trên 2 đường thẳng song song (hoặc trùng nhau) thì chúng chẳng những được biểu diễn bởi 2 đoạn thẳng nằm trên 2 đường thẳng song song (hoặc trùng nhau) mà tỉ số của 2 đoạn thẳng này còn phải bằng tỉ số của 2 đoạn thẳng tương ứng trên hình (H). Hình biểu diễn của 1 số hình không gian: * Một tam giác bất kì bao giờ cũng có thể coi là hình biểu diễn của 1 tam giác tuỳ ý cho trước ( có thể là tam giác đều, tam giác cân, tam giác vuông) * Một hình bình hành bất kì bao giờ cũng có thể coi là hình biểu diễn của 1 hình bình hành tuỳ ý cho trước( có thể là hình bình hành, hình thoi, hình chữ nhật, hình vuông) * Một hình thang bất kì bao giờ cũng có thể coi là hình biểu diễn của 1 hình thang tuỳ ý cho trước, miễn là tỉ số độ dài 2 đáy của hình biểu diễn bằng tỉ số độ dài 2 đáy của hình đã cho. * Người ta thường dùng hình elip để biểu diễn hình tròn. B.Kĩ năng cơ bản: 1. Tìm phép chiếu song song của 1 hình cho trước thoả mãn 1 số điều kiện cho trước. 2. Vẽ hình biểu diễn của 1 hình (H) cho trước. 3. Vận dụng phép chiếu song song để giải toán. II. CÁC VÍ DỤ: 1/Loại toán tự luận: Ví dụ 1: hãy chọn phép chiếu song song của 2 đường thẳng chéo nhau là 2 đường thẳng song song. Giải: + Vì a, b chéo nhau nên có b duy nhất 1 cặp mặt phẳng (P), (Q) sao cho a (P), b (Q), d b’ Q P a (P) //(Q). + Gọi (R)là mặt phẳng cắt (P), a’ (Q) theo 2 giao tuyến là a’ và b’. R Vì (P) //(Q) nên a’ // b’. + Gọi d là 1 đường thẳng nằm trong (P) nhưng không song song với a, b và cắt ®. Khi đó qua phép chiếu song song lên mặt phẳng (R) theo phương d, hai đường thẳng chéo nhau a và b có hình chiếu là a’ và b’ song song với nhau. A M Ví dụ 2: Hãy chọn phép chiếu song song với phương chiếu và mặt phẳng chiếu thích hợp để hình chiếu song song của 1 tứ diện cho trước là: một hình bình hành B Một tam giác D Giải: C + Giả sử A’B’C’D’ là hình N’ chiếu song song của 1 tứ diện ABCD. Gọi M, N lần lượt là D’ trung điểm của AB và CD. B’ + Muốn cho A’B’C’D’ là hình bình hành ta chỉ cần O chọn phương chiếu sao cho A’ hình chiếu của M, N C’ trùng nhau. Như vậy nếu chọn phương chiếu d là phương của đường thẳng MN và mặt phẳng chiếu (P) cắt d thì hình chiếu song song của tứ diện ABCD là hình bình hành A’B’C’D’. Tóm lại ta có thể chọn : Phương chiếu d là phương của 1 trong 3 đường thẳng đi qua trung điểm 2 cạnh đối diện của hình tứ diện. Mặt phẳng chiếu (P) là mặt phẳng tuỳ ý cắt đường thẳng d. Muốn có hình chiếu song song của 1 tứ diện là 1 tam giác ta chỉ cần chọn: Phương chiếu d trùng với phương của cạnh tứ diện. Như vậy có 6 cách lựa chọn phương chiếu khác nhau và khi đó ta sẽ có 2 đỉnh của tứ diện có chung 1 hình chiếu. Mặt phẳng chiếu (P) là mặt phẳng tuỳ ý cắt đường thẳng d. Ví dụ 3: Hãy vẽ các dạng hình biểu diễn có thể có đối với 1 hình tứ diện ABCD. Giải: A’ D’ C’ B’ D’ A’ B’ Giả sử A’B’C’D’ là hình biểu diễn của hình tứ diện ABCD, ta có các hình biểu diễn sau: A’ D’ C’ B’ C’ (1) (2) (3) B’ A’ C’ D’ D’ C’ B’ A’ D’ C’ A’=B’ (4) (5) (6) Có thể giải thích như sau: + Hình (1): ta nhìn thấy 2 mặt của tứ diện (ABC) và (ACD), mặt còn lại bị che khuất nên cạnh B’D’ vẽ nét đứt. + Hình (2) : ta nhìn thấy 3 mặt của tứ diện là (ABC), (ACD), (ABD). + Hình (3): ta chỉ nhìn thấy 1 mặt (BCD), 3 mặt còn lại bị (BCD) che khuất . + Hình (4): là 1 tam giác khi phương chiếu trùng với phương của cạnh AB. + Hình (5): ta nhìn thấy 1 mặt (BCD) và phương chiếu song song với mặt phẳng (ABC) + Hình (6): ta nhìn thấy 2 mặt phẳng (ACD) và (ABD), phương chiếu song song với mặt phẳng (ABC). Ví dụ 4: Vẽ hình biểu diễn của 1 lục giác đều. Giải O’ F’ B’ A’ C’ D’ E’ O E D A B C F + Xét hình lục giác đều ABCDEF tâm O ta có: . Tứ giác OABC là hình thoi . Các điểm D, E, F lần lượt đối xứng với A, B, C qua O. + Cách vẽ hình biểu diễn: . Vẽ hình bình hành O’A’B’C’ biểu diễn hình thoi OABC. . Lấy các điểm D’, E’, F’ lần lượt đối xứng với A’, B’, C’ qua O’ Ta được hình biểu diễn của hình lục giác đều ABCDEF là A’B’C’D’E’F’. Ví dụ 5: Cho 2 hình bình hành ABCD và BCEF nằm trong 2 mặt phẳng phân biệt. F Tìm điểm M trên đoạn DF và điểm N trên đoạn AC sao cho MN // BE. Tính tỉ số Giải: Phân tích: + Giả sử đã tìm được M DF, N AC: MN // BE. M + Xét phép chiếu song song theo phương chiếu BE lên mặt phẳng (ABCD). Khi đó E B C K A D N qua phép chiếu này, hình chiếu của các điểm D, M, F lần lượt là D, N, K. Vì D, M, F thẳng hàng nên D, N, K cũng thẳng hàng. Do đó: N = DK AC. Từ đó ta có cách dựng sau: Cách dựng: + Dựng K là hình chiếu của F qua phép chiếu theo phương BE lên mặt phẳng (ABCD) suy ra BEFK là hình bình hành. + Dựng N = DK AC + Trong mặt phẳng (DFK) kẻ MN // KF cắt DF tại M. Vậy M, N là các điểm cần tìm. b. + Xét tam giác DFK có MN // FK (1) + Ta có (2) + Từ (1) và (2) suy ra 2/ Loại toán trắc nghiệm: Ví dụ 6: Qua phép chiếu song song lên mặt phẳng (P), hai đường thẳng chéo nhau a và b có hình chiếu là 2 đường thẳng a’ và b’. Mệnh đề nào sau đây đúng: (A). a’ và b’ luôn cắt nhau (B). a’ và b’ có thể trùng nhau (C). a’ và b’ không thể song song (D). a’ và b’ có thể cắt nhau hoặc song song với nhau. Đáp án (D) HD: + Gọi d là phương chiếu, a (P), b (Q) và d //(P), d //(Q). + Nếu (P) cắt (Q) a’ và b’ cắt nhau + Nếu (P) // (Q) a’// b’ Ví dụ 7: Cho 4 điểm không đồng phẳng A, B, C, D có hình chiếu song song lên mặt phẳng (P) lần lượt là 4 điểm A’, B’, C’, D’.Những khẳng định nào sau đây không xảy ra: (A). A’, B’, C’, D’ là 4 đỉnh của 1 hình bình hành (B). D’ là trọng tâm của tam giác A’B’C’. (C). D’ là trung điểm cạnh A’B’. (D). Hai điểm B’, C’ nằm giữa 2 điểm A’ và D’. Đáp án: (D) HD: 4 điểm a’, B’, C’, D’ không thể thẳng hàng vì A, B, C, D không đồng phẳng. Ví dụ 8: Mệnh đề nào sau đây đúng: (A). Hình chiếu song song của 2 đường thẳng cắt nhau là 2 đường thẳng song song. (B). Hình chiếu song song của 1 hình bình hành là 1 hình bình hành. (C). Phép chiếu song song biến 1 tam giác thành 1 tam giác nếu mặt phẳng chứa tam giác không cùng phương với phương chiếu. (D). Phép chiếu song song không làm thay đổi tỉ số độ dài của 2 đoạn thẳng. Đáp án (C) HD: Dùng cách loại trừ 3 mệnh đề (A), (B), (D) . (A) sai vì nếu a’, b’ là hình chiếu song song của a, b cắt nhau tại M thì điểm M’ là hình chiếu của M qua phép chiếu song song phải thuộc a’ và b’ suy ra a’, b’ cắt nhau hoặc trùng nhau. . (B) sai vì nếu phương chiếu song song với mặt phẳng chứa hình bình hành . (D) sai vì nếu 2 đọan thẳng đó không nằm trên 1 đường thẳng hoặc 2 đường thẳng song song. Vậy chỉ có (C) đúng. Ví dụ 9: Hình vẽ nào sau đây không phải hình biểu diễn của hình tứ diện ABCD D C A A A A B D B C D C B B D C (A) (B) (C) (D) Đáp án (D) HD: xem ví dụ 3 Ví dụ 10: Hình vẽ nào sau đây không phải là hình biểu diễn của hình hộp? (A). (B). D C A B A B’ A’ B’ D C C’ D’ A D B C C B A C’ D’ A’ B’ D’ C’ A’ C’ D’ A’ (C). (D). B Đáp án (A) HD: + Rõ ràng (B) đúng + (C) đúng vì phương chiếu song song với BD’ + (D) đúng vì phương chiếu song song với 2 đáy (ABCD) và (A’B’C’D’) Ví dụ 11: Xét phép chiếu theo phương d lên mặt phẳng (P).AB // CF và AB = DF F Gọi A’, B’, C’, D’, E’, F’ lần lượt là hình chiếu của A, B, C, D, E, F qua phép chiếu nói trên. Mệnh đề nào sau đây đúng? (A). A E’ C’ B P D E C d B B). D’ F’ (C).D’F’=A’B’ (D). Tất cả (A), (B), (C) đều đúng A’ Đáp án : (D) HD: Vận dụng các tính chất của phép chiếu song song. III.BÀI TẬP: 1/ Bài tập tự luận: 1.Cho tam giác ABC. Hãy chọn mặt phẳng chiếu (P) và phương chiếu d để hình chiếu của tam giác ABC trên (P) là: a. Một tam giác cân b. Một tam giác đều c. Một tam giác vuông 2.Hãy vẽ hình biểu diễn của 1 hình thang ABCD vuông tại A và B, có các cạnh AB = BC = a, AD = 2a. Hãy vẽ hình biểu diễn đường phân giác của góc ACD 3.Hãy vẽ hình biểu diễn của 1 tam giác vuông nội tiếp trong 1 đường tròn. Từ đó vẽ hình biểu diễn của 1 hình vuông nội tiếp trong 1 đường tròn. 4.Cho hình hộp ABCD.A’B’C’D’. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của CD và CC’. a. Xác định đường thẳng d qua M cắt AN và cắt A’B b. Gọi E, F lần lượt là giao điểm của d với AN và A’b. Tính 2/ Bài tập trắc nghiệm: 1.Qua phép chiếu song song lên mặt phẳng (P), hai đường thẳng a và b có hình chiếu là hai đường thẳng song song a’ và b’. Khi đó: (A). a và b phải song song với nhau (B). a và b phải cắt nhau (C). a và b có thể chéo nhau hoặc song song với nhau (D). a và b không thể song song. 2.Mệnh đề nào sau đây đúng: (A). Hình chiếu song song của 2 đường thẳng chéo nhau có thể song song với nhau (B). Hình chiếu song song của 2 đường thẳng cắt nhauthì song song (C). Hình chiếu song song của 1 hình vuông là 1 hình vuông (D). Hình chiếu song song của 1 lục giác đề là 1 lục giác đều 3.Hình chiếu song song của 1 hình thang ABCD không thể là hình nào dưới đây? (A). Hình bình hành (B). Hình tam giác cân (C). Đoạn thẳng (D). Bốn điểm thẳng hàng 4.Hình vẽ nào sau đây không phải là hình biểu diễn của hình chóp tứ giác S.ABCD? (A). (B). S C B A D D S B A C S D (C). (D). C B C A S D B A HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP VÀ ĐÁP SỐ Chủ đề 7 1/Bài tập tự luận 1.a) Qua BC ta dựng mặt phẳng (P) A không đi qua A. Trong mặt phẳng (P) ta dựng tam giác cân DBC (DB=DC). Khi đó phép chiếu song C P song lên mặt phẳng (P) theo F E phương chiếu AD biến tam giác D ABC thành tam giác DBC cân. b) Trong mặt phẳng (P) ở câu a), B ta dựng tam giác đều EBC. Khi đó phép chiếu song song lên (P) theo phương chiếu AE biến tam giác ABC thành tam giác đều EBC. B c) Trong mặt phẳng (P) ở câu a), ta dựng tam giác FBC vuông tại F. Khi đó phép chiếu song song lên (P) theo phương chiếu AF biến tam giác ABC thành tam giác vuông FBC. a C 2.* Hình biểu diễn của hình thang ABCD vuông tại A và B phải thoả a mãn các yêu cầu sau: AD // BC và a AD = 2 BC. Lưu ý rằng: . Các góc A và B có thể D a a E A vẽ không cần bằng nhau mặc dù trong hình thực chúng đều là những góc vuông. . Các độ dài AB và BC có thể vẽ không cần bằng nhau. * + Gọi E là trung điểm của AD suy ra ABCE là hình vuông cạnh a suy ra AC = a + Xét tam giác vuông cân CED có CE = ED = a suy ra CD = a =AC Do đó tam giác ACD là tam giác cân đỉnh C suy ra CE là đường phân giác của góc ACD. F Vậy hình biểu diễn đường phân giác của góc ACD là đường trung tuyến của tam giác ACD. M A 3. * Vẽ elip tâm O là hình biểu diễn C của dường tròn đã cho. Lấy 2 điểm M B và C thuộc elip sao cho B, O, C O E thẳng hàng. Lấy điểm A thuộc elip sao cho A khác B và C. X Khi đó tam giác ABC là hình N biểu diễn của 1 tam giác vuông nội tiếp trong 1 đường tròn. * Qua A kẻ 2 dây ME và NF của elip sao cho ME // AC, NF // AB. Khi đó tứ giác MNEF là hình biểu diễn của hình vuông nội tiếp 1 đường tròn. C’ B’ 4. a) Phân tích: Giả sử ta dựng được đường thẳng d thoả mãn yêu cầu bài toán tức là d AN = E, d A’B = F và d đi qua M. + Xét phép chiếu song song lên mặt phẳng (ABCD) theo phương A’B. Khi đó 3 điểm M, E, F lần lượt có hình chiếu là M, G, B suy D’ A’ N ra M, G, B thẳng hàng. H Gọi H là hình chiếu của N d F suy ra AH là hình chiếu của AN. E Vì E AN nên G AH B C suy ra G = AH BM. G M Lưu ý rằng A’B // D’C // NH suy ra H DC Cách dựng: A D + Kẻ NH // D’C, cắt DC tại H + Dựng G = AH BM + Trong mặt phẳng (ANH) kẻ GE //HN, E AN. + Vẽ đường thẳng ME, đó là đường thẳng d cần tìm. Dễ thấy d cắt A’B. b) + Ta có CM = CH MH = CD = AB ABHM là hình bình hành G là trung điểm của BM. + Mà GE // BF E là trung điểm của MF. Vậy 2/Bài tập tự luận: 1.Đáp án (C) HD: Nếu a’ // b’ mặt phẳng (a,a’) // mặt phẳng (b,b’) Khi đó a và b có thể song song hoặc chéo nhau. 2. Đáp án (A) HD: Xem ví dụ 1 3. Đáp án (B) HD: + Hình bình hành cũng là 1 hình vuông (A) đúng + Khi phương chiếu song song với mặt phẳng chứa hình thang thì (C), (D) đúng 4. Đáp án (D) HD: Hình (D) có 3 điểm A, B, C thẳng hàng phương chiếu phải song song với mặt phẳng (ABC), tức là song song với mặt phẳng (ABCD). Khi đó 4 điểmA, B, C, D phải thẳng hàng (D) sai.