Đường thẳng vuông góc với mặt phẳng là gì? Điều kiện và các tính chất liên quan

Đường thẳng vuông góc với mặt phẳng là gì? Điều kiện và các tính chất liên quan

1. Định nghĩa

Đường thẳng d được gọi là vuông góc với mặt phẳng (α) nếu d vuông góc với mọi đường thẳng a nằm trong mặt phẳng (α).

Kí hiệu d ⊥ (α).

2. Điều kiện để đường thẳng vuông góc với mặt phẳng

Định lí

Nếu một đường thẳng vuông góc với hai đường thẳng cắt nhau cùng thuộc một mặt phẳng thì nó vuông góc với mặt phẳng ấy.

Hệ quả

Nếu một đường thẳng vuông góc với hai cạnh của một tam giác thì nó cũng vuông góc với cạnh thứ ba của tam giác đó.

3. Tính chất

Tính chất 1

Có duy nhất một mặt phẳng đi qua một điểm cho trước và vuông góc với một đường thẳng cho trước.

Mặt phẳng trung trực của một đoạn thẳng

Người ta gọi mặt phẳng đi qua trung điểm I của đoạn thẳng AB và vuông góc với AB là mặt phẳng trung trực của đoạn thẳng AB.

Tính chất 2

Có duy nhất một đường thẳng đi qua một điểm cho trước và vuông góc với một mặt phẳng cho trước.

4. Liên hệ giữa quan hệ song song và quan hệ vuông góc của đường thẳng và mặt phẳng

Tính chất 1

Cho hai đường thẳng song song. Mặt phẳng nào vuông góc với đường thẳng này thì cũng vuông góc với đường thẳng kia.

Hai đường thẳng phân biệt cùng vuông góc với một mặt phẳng thì song song với nhau.

Tính chất 2

Cho hai mặt phẳng song song. Đường thẳng nào vuông góc với mặt phẳng này thì cũng vuông góc với mặt phẳng kia.

Hai mặt phẳng phân biệt cùng vuông góc với một đường thẳng thì song song với nhau.

Tính chất 3

Cho đường thẳng a và mặt phẳng (α) song song với nhau. Đường thẳng nào vuông góc với (α) thì cũng vuông góc với a.

Nếu một đường thẳng và một mặt phẳng (không chứa đường thẳng đó) cùng vuông góc với một đường thẳng khác thì chúng song song với nhau.

5. Định lí ba đường vuông góc

Định nghĩa

Phép chiếu song song lên mặt phẳng (P) theo phương vuông góc tới mặt phẳng (P) gọi là phép chiếu vuông góc lên mặt phẳng (P).

Định lí (Định lí 3 đường vuông góc)

Cho đường thẳng a không vuông góc với mặt phẳng (P) và đường thẳng b nằm trong mặt phẳng (P). Khi đó điều kiện cần và đủ để b vuông góc với a là b vuông góc với hình chiếu a’ của a trên (P).

6. Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng

Định nghĩa

Nếu đường thẳng a ⊥ (P) thì ta nói góc giữa đường thẳng a và mặt phẳng (P) bằng 90°.

Nếu đường thẳng a không vuông góc với mặt phẳng (P) thì góc giữa a và hình chiếu a’ của nó trên (P) gọi là góc giữa đường thẳng a và mặt phẳng (P).

Chú ý: Nếu φ là góc giữa đường thẳng d và mặt phẳng (α) thì ta luôn có 0° ≤ φ ≤ 90°.

7. Bài tập vận dụng

Câu 1: Cho tứ diện ABCD có AB ⊥ CD và AC ⊥ BD. Gọi H là hình chiếu vuông góc của A lên mp(BCD) . Các khẳng định sau, khẳng định nào sai?

A. H là trực tâm tam giác BCD

B. CD ⊥ (ABH)

C. AD ⊥ BC

D. Các khẳng định trên đều sai.

Lời giải:

Ta có

Tương tự BD ⊥ CH

Suy ra H là trực tâm tam giác BCD. Suy ra loại đáp án A, B

Ta có suy ra loại C.

Chọn đáp án D

Câu 2: Cho hình chóp S.ABC có SA ⊥ (ABC). Gọi H, K lần lượt là trực tâm các tam giác SBC và ABC. Mệnh đề nào sai trong các mệnh đề sau?

A. BC ⊥ (SAH) B. HK ⊥ (SBC)

C. BC ⊥ (SAB) D. SH, AK và BC đồng quy

Lời giải:

Ta có BC ⊥ SA, BC ⊥ SH ⇒ BC ⊥ (SAH)

Ta có CK ⊥ AB, CK ⊥ SA ⇒ CK ⊥ (SAB) hay CK ⊥ SB

Mặt khác có CH ⊥ SB nên suy ra SB ⊥ (CHK) hay SB ⊥ HK, tương tự SC ⊥ HK nên HK ⊥ (SBC)

Gọi M là giao điểm của SH và BC.

Do BC ⊥ (SAH) ⇒ BC ⊥ AM hay đường thẳng AM trùng với đường thẳng AK

⇒ SH, AK và BC đồng quy

Do dó BC ⊥ (SAB). Sai

Chọn đáp án C

Câu 3: Cho hình chóp S. ABCD có đáy ABCD là hình thoi tâm O. Biết SA = SC và SB = SD. Khẳng định nào sau đây là sai?.

A. SO ⊥ (ABCD)

B. SO ⊥ AC

C. SO ⊥ BD

D. Cả A, B, C đều sai

Lời giải:

Ta có O là trung điểm của AC và SA = SC ⇒ SO ⊥ AC

Tương tự SO ⊥ BD

Vậy

Chọn D

Câu 4: Cho hình chóp S. ABCD có đáy ABCD là hình thoi tâm O, SA ⊥ (ABCD). Các khẳng định sau, khẳng định nào sai?

A. SA ⊥ BD B. SC ⊥ BD C. SO ⊥ BD D. AD ⊥ SC

Lời giải:

Ta có SA ⊥ (ABCD) ⇒ SA ⊥ BD

Do tứ giác ABCD là hình thoi nên BD ⊥ AC mà SA ⊥ BD nên BD ⊥ (SAC) hay BD ⊥ SC, BD ⊥ SO

Chọn đáp án D

Câu 5: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông và SA ⊥ (ABCD). Gọi I; J; K lần lượt là trung điểm của AB, BC và SB. Khẳng định nào sau đây sai?

A. (IJK) // (SAC)

B. BD ⊥ (IJK)

C. Góc giữa SC và BD có số đo 60°

D. BD ⊥ (SAC)

Lời giải:

Chọn C.

+ Tam giác ABC có IJ Là đường trung bình của tam giác nên IJ // AC

Tam giác SAB có IK là đường trung bình của tam giác nên IK // SA

⇒ (IJK) // (SAC). Vậy A đúng

+ Do BD ⊥ AC và BD ⊥ SA nên BD ⊥ (SAC)

nên D đúng.

+ Do BD ⊥ (SAC) và (IJK) // (SAC) nên BD ⊥ (IJK) nên B đúng.

Vậy C sai

Câu 6: Cho hình chóp S. ABCD có đáy ABCD là hình vuông, Gọi H là trung điểm của AB và SH ⊥ (ABCD). Gọi K là trung điểm của cạnh AD. Khẳng định nào sau đây là sai?

A. AC ⊥ SH

B. AC ⊥ KH

C. AC ⊥ (SHK)

D. Cả A, B, C đều sai

Lời giải:

+ Ta cos SH ⊥ (ABCD) ⇒ SH ⊥ AC

+ Tam giác ABD có H và K lần lượt là trung điểm của AB và AD nên HK là đường trung bình của tam giác ⇒ HK // BD

Lại có

⇒ AC ⊥ (SHK)

Chọn D

Câu 7: Cho tứ diện OABC có ba cạnh OA ; OB ; OC đôi một vuông góc. Gọi H là hình chiếu của O lên (ABC). Khẳng định nào sau đây sai?

Lời giải:

Xét tam giác AOI vuông tại O có OH đường cao:

Từ (1) và (2) ⇒ H là trực tâm tam giác ABC ⇒ Đáp án C đúng.

Chọn đáp án D.

Câu 8: Cho hình tứ diện ABCD có AB, BC, CD đôi một vuông góc nhau. Hãy chỉ ra điểm O cách đều bốn điểm A, B ; C ; D.

A. O là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC

B. O là trọng tâm tam giác ACD

C. O là trung điểm cạnh BD

D. O là trung điểm cạnh AD

Lời giải:

Chọn D

Câu 9: Cho tứ diện ABCD. Vẽ AH ⊥ (BCD). Biết H là trực tâm tam giác BCD . Khẳng định nào sau đây không sai?

A. AB = CD B. AC = BD C. AB ⊥ CD D. CD ⊥ BB

Lời giải:

Chọn C

Do AH ⊥ (BCD) ⇒ AH ⊥ CD .

Mặt khác, H là trực tâm tam giác BCD nên BH ⊥ CD

Suy ra CD ⊥ (ABH) nên CD ⊥ AB.

Câu 10: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a, mặt bên SAB là tam giác đều và SC = a√2. Gọi H, K lần lượt là trung điểm của các cạnh AB và AD. Khẳng định nào sau đây là sai?.

A. SH ⊥ (ABCD)

B. SH ⊥ HC

C. A, B đều đúng

D. A, B là sai

Lời giải:

Vì H là trung điểm của AB và tam giác SAB đều nên SH ⊥ AB

Câu 11: Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D'. Đường thẳng AC’ vuông góc với mặt phẳng nào sau đây?

A. ( A’BD) B. ( A’DC’) C. ( A’CD’) D. ( A’B’CD)

Lời giải:

Ta có

Vậy chọn đáp án A

Câu 12: Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thoi, O là giao điểm của 2 đường chéo và SA = SC. Các khẳng định sau, khẳng định nào đúng?

A. SA ⊥ (ABCD) B. BD ⊥ (SAC)

C. AC ⊥ (SBD) D. AB ⊥ (SAC)

Lời giải:

Ta có: SA = SC nên tam giác SAC là tam giác cân

Mặt khác: O là trung điểm của AC (tính chất hình thoi)

Khi đó ta có: AC ⊥ SO

Vậy chọn đáp án C

Câu 13: Cho hình chóp S. ABCD có đáy ABCD là hình vuông, SA ⊥ (ABCD). Mặt phẳng qua A và vuông góc với SC cắt SB, SC, SD theo thứ tự tại H, M, K . Chọn khẳng định sai trong các khẳng định sau?

A. AK ⊥ HK B. HK ⊥ AM C. BD // KH D. AH ⊥ SB .

Lời giải:

Câu 14: Cho hình chóp S.ABC có ∠BSC = 120°, ∠CSA = 60°, ∠ASB = 90°, SA = SB = SC. Gọi I là hình chiếu vuông góc của S lên mp(ABC). Chọn khẳng định đúng trong các khẳng định sau

A. I là trung điểm AB

B. I là trọng tâm tam giác ABC

C. I là trung điểm AC

D. I là trung điểm BC

Lời giải:

Gọi SA = SB = SC = a

Ta có: tam giác SAC cân có 1 góc bằng 60° nên tam giác SAC đều ⇒ AC = SA = a

+ tam giác SAB vuông cân tại S

⇒ AB = a√2

⇒ AC² + AB² = BC² nên tam giác ABC vuông tại A

+ Gọi I là trung điểm của AC thì I là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC. Gọi d là trục của tam giác ABC thì d đi qua I và d ⊥ (ABC)

Mặt khác : SA = SB = SC nên S ∈ d . Vậy SI ⊥ (ABC) nên I là hình chiếu vuông góc của S lên mặt phẳng (ABC)

Chọn C

Câu 15: Cho tứ diện OABC có OA, OB, OC đôi một vuông góc với nhau. Gọi H là hình chiếu của O trên mặt phẳng ( ABC) . Xét các mệnh đề sau :

I. Vì OC ⊥ OA, OC ⊥ OB nên OC ⊥ (OAB)

II. Do AB ⊂ (ABC) nên AB ⊥ OC (1)

III. Có OH ⊥ (ABC) và AB ⊂ (ABC) nên AB ⊥ OH (2)

IV. Từ (1) và (2) AB ⊥ (OCH)

Trong các mệnh đề trên mệnh đề nào đúng ?

A. I, II, III, IV

B. I, II, III

C. II, III, IV

D. I, IV

Lời giải:

Ta có:

Chọn đáp án A

Câu 16: Cho hình hộp ABCD.A’B’C’D’ Có đáy là hình thoi ∠BAD = 60° và AA’ = A’B = A’D. Gọi O = AC ∩ BD. Hình chiếu của A’ trên (ABCD) là :

A. trung điểm của AO

B. trọng tâm tam giác ABD

C. giao của hai đoạn AC và BD

D. trọng tâm tam giác BCD.

Lời giải:

Vì A’A = A’B = A’D nên hình chiếu của A’ trên ( ABCD) trùng với H là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác ABD (1).

Mà tứ giá ABCD là hình thoi và ∠BAD = 60° nên tam giác BAD là tam giác đều (2)

Từ (1) và ( 2) suy ra H là trọng tâm tam giác ABD

Chọn đáp án B