Ưu đãi 50% Ưu đãi 50% trọn bộ khóa học Toán THPT!
Chương IV: Quan hệ song song trong không gian

Bài 12: Đường thẳng và mặt phẳng song song

Lý thuyết & Phương pháp giải Chuyên sâu: Đường thẳng và mặt phẳng song song (Toán 11 KNTT)

CHƯƠNG IV: QUAN HỆ SONG SONG TRONG KHÔNG GIAN TOÁN 11 KNTT – BÀI 12

BÀI 12: ĐƯỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG SONG SONG

Nắm vững 3 vị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt phẳng; hiểu sâu Định lí 1 (dấu hiệu nhận biết đường song song mặt) và Định lí 2 (tính chất giao tuyến khi mặt phẳng chứa đường thẳng song song); thuần thục phương pháp xác định thiết diện và ứng dụng thực tiễn.

🔑 Thuật ngữ then chốt: Đường thẳng song song mặt phẳng, Đường thẳng cắt mặt phẳng, Đường thẳng nằm trong mặt phẳng.
🎯 Kĩ năng cốt lõi: Chứng minh $d // (P)$, tìm giao tuyến song song, xác định thiết diện hình học không gian.
💡

Tình huống thực tiễn mở đầu: Kĩ thuật căng dây nhợ của thợ xây

Khi xây tường gạch, người thợ xây thường bắt đầu bằng việc xây các viên gạch dẫn ở hai đầu bức tường, sau đó căng một sợi dây nhợ dọc theo cạnh của các viên gạch dẫn đó để làm chuẩn rồi mới xây các viên gạch tiếp theo ở giữa.

Câu hỏi gợi mở (Trang 84 SGK): Việc sử dụng dây căng như vậy có tác dụng gì? Toán học mô tả vị trí giữa dây căng, các mép gạch với mặt đất như thế nào?

👉 Trả lời: Dây nhợ giúp các hàng gạch luôn thẳng hàng và phẳng phiu. Mép dây nhợ và các mép gạch đều song song với mặt sàn / mặt đất, tạo nên bức tường thẳng đứng và vững chắc.

Thợ xây căng dây nhợ Thợ xây căng dây nhợ làm chuẩn xây tường gạch
1

Đường Thẳng Song Song Với Mặt Phẳng

HĐ1 - Trang 84 SGK Khung thành bóng đá và mặt đất

Quan sát hình ảnh khung thành bóng đá và nhận xét vị trí của xà ngang, cột dọc, thanh chống bên so với mặt đất:

  • Xà ngang: Không có điểm chung với mặt đất $\implies$ Xà ngang song song với mặt đất.
  • Cột dọc, thanh chống: Có đúng một điểm chạm mặt đất $\implies$ Cột dọc cắt mặt đất.
  • Thanh đáy khung thành: Nằm áp sát trên mặt cỏ $\implies$ Thanh đáy nằm trong mặt đất.
Khung thành bóng đá Robot khung thành
Khung thành sân mini 5 người: Xà dài 3m, cột cao 2m
📐 Ba Vị Trí Tương Đối Giữa Đường Thẳng $d$ Và Mặt Phẳng $(\alpha)$:

Số điểm chung giữa đường thẳng $d$ và mặt phẳng $(\alpha)$ quyết định vị trí tương đối của chúng:

1. Song song: $d // (\alpha)$

$d$ và $(\alpha)$ không có điểm chung nào.

$d \cap (\alpha) = \varnothing \iff d // (\alpha)$
2. Cắt nhau: $d \cap (\alpha) = \{M\}$

$d$ và $(\alpha)$ có đúng 1 điểm chung duy nhất $M$.

$d \cap (\alpha) = \{M\} \text{ hay } d \cap (\alpha) = M$
3. Nằm trong: $d \subset (\alpha)$

$d$ và $(\alpha)$ có từ hai điểm chung phân biệt trở lên $\implies d$ nằm trong $(\alpha)$.

$d \subset (\alpha) \text{ hay } (\alpha) \supset d$
Ba vị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt phẳng Hình minh họa 3 vị trí: $d // (\alpha)$ (không điểm chung), $d \cap (\alpha) = \{M\}$ (1 điểm chung), $d \subset (\alpha)$ (vô số điểm chung)
Hình 4.34: Cầu Long Biên Hình 4.34: Cầu Long Biên — "chứng nhân lịch sử"

Các thanh dầm thép ngang của cầu luôn song song với mặt nước phẳng lặng của dòng sông Hồng.

Ví dụ 1 (SGK) Tứ diện ABCD

Cho hình tứ diện $ABCD$ (Hình 4.35):

a) Đường thẳng $AB$ cắt các mặt phẳng: $(ACD)$ (tại $A$) và $(BCD)$ (tại $B$).

b) Đường thẳng $AB$ nằm trong các mặt phẳng: $(ABC)$ và $(ABD)$.

Hình 4.35
Luyện tập 1 (SGK)

Trong tứ diện $ABCD$, đường thẳng $AC$ cắt mặt phẳng nào, nằm trong mặt phẳng nào?
👉 Đáp án: $AC$ cắt các mặt $(ABD)$ (tại $A$) và $(BCD)$ (tại $C$); $AC$ nằm trong các mặt $(ABC)$ và $(ACD)$.

2

Điều Kiện Và Tính Chất Của Đường Thẳng Song Song Với Mặt Phẳng

ĐỊNH LÍ 1

Dấu Hiệu Nhận Biết Đường Thẳng Song Song Với Mặt Phẳng

Nếu đường thẳng $a$ không nằm trong mặt phẳng $(P)$ và song song với một đường thẳng $b$ nằm trong $(P)$ thì $a$ song song với $(P)$.
$\begin{cases} a \not\subset (P) \\ a // b \\ b \subset (P) \end{cases} \implies a // (P)$
⚠️ Lưu ý bắt buộc: Tuyệt đối không được bỏ điều kiện $a \not\subset (P)$. Nếu bỏ điều kiện này thì đường thẳng $a$ có thể nằm trong mặt phẳng $(P)$ (trùng với $b$ hoặc song song với $b$ ngay trên mặt phẳng $(P)$).
Hình 4.36: Dấu hiệu nhận biết a // (P) Hình 4.36: $a // b \subset (P) \implies a // (P)$
Ví dụ 2 (SGK) Ba đường thẳng song song

Cho ba đường thẳng $a, b, c$ đôi một song song với nhau và không cùng nằm trong một mặt phẳng (Hình 4.37). Chứng minh $a // mp(b, c)$.

Giải: Do ba đường thẳng không đồng phẳng nên $a$ không nằm trong $mp(b, c)$. Mà $a // b$ với $b \subset mp(b, c)$. Theo Định lí 1 suy ra $a // mp(b, c)$.

Hình 4.37
Ví dụ 3 (SGK) Hai đường thẳng chéo nhau

Cho hai đường thẳng chéo nhau $a$ và $b$ (Hình 4.38). Chứng minh có một mặt phẳng chứa $a$ và song song với $b$.

Giải: Lấy điểm $M \in a$, kẻ $b' // b$ qua $M$. Đặt $(P) = mp(a, b')$. Khi đó $b \not\subset (P)$ và $b // b' \subset (P) \implies b // (P)$.

📌 Mặt phẳng $(P)$ này là duy nhất!

Hình 4.38
ĐỊNH LÍ 2

Tính Chất Giao Tuyến (Phương Pháp Tìm Giao Tuyến Khi Có Đường Song Song)

Cho đường thẳng $a$ song song với mặt phẳng $(P)$. Nếu mặt phẳng $(Q)$ chứa $a$ và cắt $(P)$ theo giao tuyến $b$ thì giao tuyến $b$ song song với $a$.
$\begin{cases} a // (P) \\ a \subset (Q) \\ (P) \cap (Q) = b \end{cases} \implies b // a$
💡 Ứng dụng kinh điển: Khi tìm giao tuyến của mặt phẳng $(Q)$ chứa $a$ với mặt phẳng $(P)$, ta chỉ cần tìm 1 điểm chung duy nhất $M$ của hai mặt phẳng. Khi đó giao tuyến là đường thẳng qua $M$ và song song với $a$!
Nhắc lại vị trí tương đối Đường thẳng $a$ và $b$ cùng nằm trong $(Q)$ nên không thể chéo nhau!
Ví dụ 4 (SGK) Thiết diện song song với 2 cạnh đối diện của tứ diện

Cho tứ diện $ABCD$, điểm $E$ nằm giữa $A$ và $C$. Gọi $(P)$ là mặt phẳng qua $E$ và song song với hai đường thẳng $AB, CD$ (Hình 4.39). Xác định các giao tuyến của $(P)$ với các mặt của tứ diện và hình dạng thiết diện tạo thành.

• Mặt phẳng $(ABC)$ chứa $AB // (P)$ và cắt $(P)$ theo giao tuyến qua $E$ nên kẻ $EF // AB$ ($F \in BC$).

• Mặt phẳng $(ACD)$ chứa $CD // (P)$ và cắt $(P)$ theo giao tuyến qua $E$ nên kẻ $EH // CD$ ($H \in AD$).

• Mặt phẳng $(BCD)$ chứa $CD // (P)$ và cắt $(P)$ theo giao tuyến qua $F$ nên kẻ $FG // CD$ ($G \in BD$).

• Đoạn nối $GH$ là giao tuyến của $(P)$ với $(ABD)$, và hiển nhiên $GH // AB$.

👉 Tứ giác $EFGH$ có $\begin{cases} EF // GH \ (// AB) \\ EH // FG \ (// CD) \end{cases} \implies EFGH$ là hình bình hành!

Hình 4.39: Thiết diện EFGH Hình 4.39: Thiết diện $EFGH$ là hình bình hành
Vận dụng thực tế (Bài 4.20 SGK) Mép trên của cánh cửa mở

Dù cửa ra vào được mở ở bất kì vị trí nào (quay quanh trục bản lề thẳng đứng), thì mép trên của cánh cửa luôn luôn song song với một mặt phẳng cố định:

✨ Mặt phẳng cố định đó chính là: Mặt sàn nhà (mặt đất) và trần nhà nằm ngang! Vì mép trên cửa luôn vuông góc với trục bản lề và nằm trên mặt phẳng song song với sàn nhà.
Cánh cửa ra vào Các vị trí mở khác nhau của cánh cửa
Bài trước Bài tiếp