29.5 Kąt między prostą a płaszczyzną. Kąt dwuścienny
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Prosta $k$ przebija płaszczyznę $\pi$ w punkcie $A$. Punkt $B$ należy do prostej $l$, która jest rzutem prostokątnym prostej $k$ na płaszczyznę $\pi$ oraz $|AB| = 12$ cm. Oblicz odległość punktu $B$ od prostej $k$, jeśli kąt nachylenia prostej $k$ do płaszczyzny $\pi$ ma miarę:
a) $30^{\circ}$
b) $45^{\circ}$
c) $60^{\circ}$
a) $d = 6$ cm
b) $d = 6\sqrt{2}$ cm
c) $d = 6\sqrt{3}$ cm
Niech $d$ oznacza odległość punktu $B$ od prostej $k$. Kąt nachylenia prostej $k$ do płaszczyzny $\pi$ to kąt $\alpha$ między prostą $k$ a jej rzutem prostokątnym $l$. Odległość punktu $B$ od prostej $k$ to długość odcinka prostopadłego do prostej $k$ poprowadzonego z punktu $B$. Tworzy on z odcinkiem $AB$ i fragmentem prostej $k$ trójkąt prostokątny, w którym odcinek $AB$ jest przeciwprostokątną, a szukana odległość $d$ jest przyprostokątną leżącą naprzeciw kąta $\alpha$. Zatem możemy skorzystać z funkcji sinus:\[d = |AB| \cdot \sin(\alpha)\]Podstawiamy dane, gdzie $|AB| = 12$ cm.
a) Dla $\alpha = 30^{\circ}$:\[d = 12 \cdot \sin(30^{\circ}) = 12 \cdot \frac{1}{2} = 6 \ \text{cm}\]b) Dla $\alpha = 45^{\circ}$:\[d = 12 \cdot \sin(45^{\circ}) = 12 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = 6\sqrt{2} \ \text{cm}\]c) Dla $\alpha = 60^{\circ}$:\[d = 12 \cdot \sin(60^{\circ}) = 12 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = 6\sqrt{3} \ \text{cm}\]
Zadanie 2 (2 pkt)
Dany jest sześcian $ABCDA_1B_1C_1D_1$, którego bok ma długość $a$. Oblicz tangens kąta nachylenia przekątnej podstawy $BD$ do płaszczyzny ściany bocznej $(CDD_1C_1)$.
$\tan \alpha = 1$
Kąt nachylenia prostej do płaszczyzny to kąt między tą prostą a jej rzutem prostopadłym na tę płaszczyznę. Rzutem prostopadłym punktu $B$ na płaszczyznę $(CDD_1C_1)$ jest punkt $C$, ponieważ krawędź $BC$ jest prostopadła do tej płaszczyzny. Punkt $D$ należy do płaszczyzny $(CDD_1C_1)$, więc jego rzutem jest on sam. Zatem rzutem prostopadłym przekątnej $BD$ na płaszczyznę $(CDD_1C_1)$ jest krawędź $CD$. Szukany kąt $\alpha$ to kąt $\angle BDC$. Rozważmy trójkąt $BCD$. Jest to trójkąt prostokątny, ponieważ ściana $ABCD$ jest kwadratem, więc $\angle BCD = 90^\circ$. Długości przyprostokątnych tego trójkąta to: długość boku $BC$: $|BC| = a$ oraz długość boku $CD$: $|CD| = a$. Tangens kąta $\alpha$ wynosi:\[ \tan \alpha = \frac{|BC|}{|CD|} = \frac{a}{a} = 1 \]
Zadanie 3 (3 pkt)
Płaszczyzny $\pi_1$ i $\pi_2$ są prostopadłe, a krawędzią ich przecięcia jest prosta $m$. Punkt $A$ należy do płaszczyzny $\pi_1$ i leży w odległości 12 cm od prostej $m$. Punkt $B$ należy do płaszczyzny $\pi_2$ i leży w odległości 5 cm od prostej $m$. Wiedząc, że rzutem prostopadłym punktu $A$ na płaszczyznę $\pi_2$ jest ten sam punkt co rzut prostopadły punktu $B$ na płaszczyznę $\pi_1$, oblicz:
a) tangens kąta nachylenia prostej $AB$ do płaszczyzny $\pi_2$,
b) cosinus kąta nachylenia prostej $AB$ do płaszczyzny $\pi_1$.
a) $\frac{12}{5}$
b) $\frac{12}{13}$
Niech $P$ będzie wspólnym rzutem prostopadłym punktu $A$ na $\pi_2$ i punktu $B$ na $\pi_1$. Punkt $P$ leży na prostej $m$. Z treści zadania wiemy, że $|AP| = 12$ cm oraz $|BP| = 5$ cm. Ponieważ płaszczyzny $\pi_1$ i $\pi_2$ są prostopadłe, trójkąt $APB$ jest prostokątny z kątem prostym przy wierzchołku $P$. Długość przeciwprostokątnej $AB$ obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: \[|AB|^2 = |AP|^2 + |BP|^2\] \[|AB|^2 = 12^2 + 5^2 = 144 + 25 = 169\] \[|AB| = \sqrt{169} = 13 \ \text{cm}\] a) Kąt nachylenia prostej $AB$ do płaszczyzny $\pi_2$, oznaczmy go $\alpha$, to kąt $\angle ABP$ w trójkącie $APB$. Obliczamy jego tangens: \[\text{tg} \alpha = \frac{|AP|}{|BP|} = \frac{12}{5}\] b) Kąt nachylenia prostej $AB$ do płaszczyzny $\pi_1$, oznaczmy go $\beta$, to kąt $\angle BAP$ w trójkącie $APB$. Obliczamy jego cosinus: \[\cos \beta = \frac{|AP|}{|AB|} = \frac{12}{13}\]
Zadanie 4 (2 pkt)
Na płaszczyźnie $\pi$ dany jest odcinek $AB$. Odcinek $BC$ jest prostopadły do płaszczyzny $\pi$. Punkt $D$ jest środkiem odcinka $BC$. Wiedząc, że tangens nachylenia prostej $AD$ do płaszczyzny $\pi$ wynosi $\frac{1}{2}$, oblicz sinus kąta nachylenia prostej $AC$ do płaszczyzny $\pi$.
Sinus kąta nachylenia prostej $AC$ do płaszczyzny $\pi$ wynosi $\frac{\sqrt{2}}{2}$.
Niech $\alpha$ będzie kątem nachylenia prostej $AD$ do płaszczyzny $\pi$, a $\beta$ kątem nachylenia prostej $AC$ do tej płaszczyzny. Rzutem prostokątnym obu prostych na płaszczyznę $\pi$ jest prosta zawierająca odcinek $AB$. Zatem kąt $\alpha$ to kąt $DAB$, a kąt $\beta$ to kąt $CAB$. Ponieważ odcinek $BC$ jest prostopadły do płaszczyzny $\pi$, to trójkąty $ABD$ i $ABC$ są prostokątne z kątem prostym przy wierzchołku $B$. Oznaczmy długości przyprostokątnych: $|AB| = x$ oraz $|BC| = y$. Punkt $D$ jest środkiem odcinka $BC$, więc $|BD| = \frac{1}{2}|BC| = \frac{y}{2}$. W trójkącie prostokątnym $ABD$ mamy: \[ \tan \alpha = \frac{|BD|}{|AB|} = \frac{\frac{y}{2}}{x} = \frac{y}{2x} \] Z treści zadania wiemy, że $\tan \alpha = \frac{1}{2}$, zatem: \[ \frac{y}{2x} = \frac{1}{2} \] Stąd $2y = 2x$, czyli $y = x$. Teraz rozważmy trójkąt prostokątny $ABC$. Mamy obliczyć $\sin \beta$. Z definicji sinusa: \[ \sin \beta = \frac{|BC|}{|AC|} \] Długość przeciwprostokątnej $AC$ obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: \[ |AC|^2 = |AB|^2 + |BC|^2 = x^2 + y^2 = x^2 + x^2 = 2x^2 \] \[ |AC| = \sqrt{2x^2} = x\sqrt{2} \] Podstawiamy wyznaczone wartości do wzoru na sinus kąta $\beta$: \[ \sin \beta = \frac{y}{x\sqrt{2}} = \frac{x}{x\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2} \]
Zadanie 5 (4 pkt)
Punkty $A$, $B$, $C$ leżące na płaszczyźnie $\pi$ wyznaczają trójkąt równoramienny, w którym $|AC| = |BC| = 13$ oraz $|AB| = 10$. Odcinek $DC$ jest prostopadły do płaszczyzny $\pi$, a jego długość jest równa 12. Oblicz:
a) tangens kąta nachylenia prostej $BD$ do płaszczyzny $\pi$,
b) tangens kąta nachylenia płaszczyzny $(ABD)$ do płaszczyzny $\pi$.
a) $\tan \alpha = \frac{12}{13}$
b) $\tan \beta = 1$
a) Kąt nachylenia prostej $BD$ do płaszczyzny $\pi$ to kąt ostry $\alpha = \angle DBC$, ponieważ rzutem prostokątnym punktu $D$ na płaszczyznę $\pi$ jest punkt $C$. W trójkącie prostokątnym $DBC$ (kąt prosty przy wierzchołku $C$) mamy dane: $|DC| = 12$ oraz $|BC| = 13$. Obliczamy tangens kąta $\alpha$:\[ \tan \alpha = \frac{|DC|}{|BC|} = \frac{12}{13} \]b) Kąt nachylenia płaszczyzny $(ABD)$ do płaszczyzny $\pi$ jest kątem dwuściennym opartym na krawędzi $AB$. Wyznaczamy go jako kąt $\beta = \angle DEC$, gdzie $E$ jest środkiem podstawy $AB$ trójkąta równoramiennego $ABC$. Najpierw obliczamy wysokość $|CE|$ trójkąta $ABC$. Punkt $E$ dzieli podstawę $AB$ na dwa odcinki o długości $|AE| = \frac{1}{2}|AB| = \frac{1}{2} \cdot 10 = 5$. Z twierdzenia Pitagorasa w trójkącie prostokątnym $AEC$:\[ |CE|^2 + |AE|^2 = |AC|^2 \]\[ |CE|^2 + 5^2 = 13^2 \]\[ |CE|^2 + 25 = 169 \]\[ |CE|^2 = 144 \]\[ |CE| = 12 \]Kąt $\beta$ znajduje się w trójkącie prostokątnym $DCE$ (kąt prosty przy wierzchołku $C$). Mamy dane: $|DC| = 12$ oraz $|CE| = 12$. Obliczamy tangens kąta $\beta$:\[ \tan \beta = \frac{|DC|}{|CE|} = \frac{12}{12} = 1 \]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Prosta $k$ przebija płaszczyznę $\pi$ w punkcie $A$. Punkt $B$ należy do prostej $l$, która jest rzutem prostokątnym prostej $k$ na płaszczyznę $\pi$ oraz $|AB| = 20$ cm. Oblicz odległość punktu $B$ od prostej $k$, jeśli kąt nachylenia prostej $k$ do płaszczyzny $\pi$ ma miarę:
a) $30^{\circ}$
b) $45^{\circ}$
c) $60^{\circ}$
a) $d = 10$ cm
b) $d = 10\sqrt{2}$ cm
c) $d = 10\sqrt{3}$ cm
Zadanie 2 (2 pkt)
Dany jest sześcian $ABCDA_1B_1C_1D_1$, którego bok ma długość $a$. Oblicz tangens kąta nachylenia przekątnej ściany bocznej $A_1D$ do płaszczyzny podstawy $(ABCD)$.
$\tan \beta = 1$
Zadanie 3 (3 pkt)
Płaszczyzny $\pi_1$ i $\pi_2$ są prostopadłe, a krawędzią ich przecięcia jest prosta $m$. Punkt $A$ należy do płaszczyzny $\pi_1$ i leży w odległości 15 cm od prostej $m$. Punkt $B$ należy do płaszczyzny $\pi_2$ i leży w odległości 8 cm od prostej $m$. Wiedząc, że rzutem prostopadłym punktu $A$ na płaszczyznę $\pi_2$ jest ten sam punkt co rzut prostopadły punktu $B$ na płaszczyznę $\pi_1$, oblicz:
a) tangens kąta nachylenia prostej $AB$ do płaszczyzny $\pi_2$,
b) cosinus kąta nachylenia prostej $AB$ do płaszczyzny $\pi_1$.
a) $\frac{15}{8}$
b) $\frac{15}{17}$
Zadanie 4 (2 pkt)
Na płaszczyźnie $\pi$ dany jest odcinek $AB$. Odcinek $BC$ jest prostopadły do płaszczyzny $\pi$. Punkt $D$ jest środkiem odcinka $BC$. Wiedząc, że tangens nachylenia prostej $AD$ do płaszczyzny $\pi$ wynosi $\frac{3}{4}$, oblicz sinus kąta nachylenia prostej $AC$ do płaszczyzny $\pi$.
Sinus kąta nachylenia prostej $AC$ do płaszczyzny $\pi$ wynosi $\frac{3\sqrt{13}}{13}$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Punkty $A$, $B$, $C$ leżące na płaszczyźnie $\pi$ wyznaczają trójkąt równoramienny, w którym $|AC| = |BC| = 10$ oraz $|AB| = 12$. Odcinek $DC$ jest prostopadły do płaszczyzny $\pi$, a jego długość jest równa 16. Oblicz:
a) tangens kąta nachylenia prostej $AD$ do płaszczyzny $\pi$,
b) tangens kąta nachylenia płaszczyzny $(ABD)$ do płaszczyzny $\pi$.
a) $\tan \alpha = \frac{8}{5}$
b) $\tan \beta = 2$
