CHƯƠNG II MẶT CẦU, MẶT TRỤ, MẶT NÓN BÀI 1 MẶT CẦU, KHỐI CẦU 1. Định nghĩa mặt cầu Tập hợp các điểm trong không gian cách điểm O cố định một khoảng R không đổi gọi là mặt cầu có tâm O và bán kính bằng R Mặt cầu như thế được kí hiệu S(O ; R). Như vậy : { .R} OMM/ R) ; ( ==OS hay a) Nếu OA = R ⇒ A ∈ S(O ; R). Khi đó đoạn thẳng OA cũng được gọi là bán kính của mặt cầu. Nếu OA và OB là hai bán kính sao cho O, A, B thẳng hàng thì đoạn AB được gọi là đường kính. b) Nếu OA < R thì ta nói rằng điểm A nằm trong đường tròn d) Tập hợp các điểm thuộc mặt cầu S(O ; R) cùng các điểm nằm trong mặt cầu đó được gọi là khối cầu S(O ; R) hoặc hình cầu S(O ; R). Như vậy, khối cầu S(O ; R) là tập hợp các điểm M sao cho OM ≤ R. c) Nếu OA > R thì ta nói rằng điểm A nằm ngoài đường tròn Các thuật ngữ : Cho mặt cầu S(O ; R) và một điểm A Một số ví dụ : Ví dụ 1. Cho hai điểm A, B cố định. Chứng minh rằng tập hợp các điểm M sao cho là mặt cầu đường kính AB. MA. MB = 0 Ví dụ 2. Cho tứ diện đều ABCD có cạnh bằng a. Tìm tập hợp các điểm M sao cho MA 2 + MB 2 + MC 2 + MD 2 = 2a 2 2. Vị trí tương đối giữa mặt cầu và mặt phẳng Cho mặt cầu S(O ; R) và mặt phẳng (P). Gọi H là hình chiếu của O trên mp(P), gọi d là khoảng cách từ O tới mp(P) thì d = OH. Nếu d < R thì mp(P) cắt mặt cầu S(O ; R) theo giao tuyến là đường tròn nằm trên mp(P) có tâm H và có bán kính 22 d - R =r Nếu d = R thì mp(P) cắt mặt cầu tại một điểm duy nhất H Nếu d > R thì mp(P) không cắt mặt cầu S(O ; R) H d Bài toán 1 Mặt cầu đi qua mọi đỉnh của hình đa diện H gọi là mặt cầu ngoại tiếp hình đa diện H và hình đa diện H gọi là nội tiếp mặt cầu đó. Chứng minh rằng hình chóp nội tiếp một mặt cầu khi và chỉ khi đáy của nó là đa giác nội tiếp một đường tròn. 3. Vị trí tương đối giữa mặt cầu và đường thẳng Cho mặt cầu S(O ; R) và đường thẳng ∆. Gọi H là hình chiếu của O trên ∆ và d = OH là khoảng cách từ O tới ∆ . Hoàn toàn tương tự như trong trường hợp mặt cầu và mặt phẳng, ta có các kết luận sau : Nếu d < R thì ∆ cắt mặt cầu S(O ; R) tại hai điểm phân biệt. Nếu d = R thì ∆ cắt mặt cầu tại một điểm duy nhất H. Nếu d > R thì ∆ không cắt mặt cầu S(O ; R) . ∆ H d M . . Bài toán 2. Hãy chứng minh rằng có một mặt cầu tiếp xúc với các cạnh của một tứ diện đều ABCD cho trước. Định lí Nếu điểm A nằm ngoài mặt cầu S(O ; R) thì qua A có vô số tiếp tuyến với mặt cầu. Khi đó a) Độ dài các đoạn thẳng nối A với các tiếp điểm đều bằng nhau. b) Tập hợp các tiếp điểm là một đường tròn nằm trên mặt cầu. 4. Diện tích mặt cầu và thể tích khối cầu Khái niệm về diện tích mặt cầu và thể tích khối cầu. Các công thức Mặt cầu bán kính R có diện tích là : S = 4πR 2 Khối cầu bán kính R có thể tích là : V = 4πR 3 /3 BÀI 2 KHÁI NIỆM VỀ MẶT TRÒN XOAY 1 Định nghĩa Trong không gian, cho hình H và đường thẳng ∆. Hình gồm tất cả các đường tròn (C M ) với M thuộc H được gọi là hình tròn xoay sinh bởi H khi quay quanh ∆. Đường thẳng ∆ gọi là trục của hình tròn xoay đó. Khi hình H là một đường thì hình tròn xoay sinh bởi nó còn gọi là mặt tròn xoay. 2 . Một số ví dụ Ví dụ 1. Nếu hình H là đường tròn đường kính AB nằm trên đường thẳng ∆ thì rõ ràng hình tròn xoay sinh bởi H khi quay quanh ∆ là khối cầu đường kính AB. Ta xét trường hợp H là đường tròn nằm trong cùng một mặt phẳng với đường thẳng ∆ nhưng không cắt ∆. Hình tròn sinh bởi đường tròn đó quay quanh ∆ được gọi là mặt xuyến.