Đường thẳng vuông góc mặt phẳng, định lí ba đường vuông góc, góc giữa đường thẳng và mặt phẳng, góc nhị diện, khoảng cách, thể tích khối chóp, lăng trụ.
Quan hệ vuông góc trong không gian là kiến thức lớp 11. Trong đề thi tốt nghiệp theo định dạng từ năm 2025, chủ đề này thường có 1 câu ở phần I (nhận ra góc, khoảng cách, tính thể tích) và 1–2 câu ở phần III (tính khoảng cách, góc nhị diện hoặc thể tích, nhiều khi gắn với vật thể thực tế như mái nhà, bể nước, chậu cây), đôi khi thêm một câu đúng/sai ở phần II. Mọi bài đều quy về cùng một kĩ năng: tìm được một đường thẳng vuông góc với một mặt phẳng. Bài này hệ thống các định lí cần dùng, cách "dựng" góc và khoảng cách trên các hình quen thuộc, kèm 6 dạng bài có ví dụ từ dễ đến khó.
Kiến thức trọng tâm
Hai đường thẳng vuông góc
Góc giữa hai đường thẳng a, b là góc giữa hai đường thẳng cùng đi qua một điểm, lần lượt song song (hoặc trùng) với a, b; số đo thuộc [0∘;90∘]. Muốn tính, tịnh tiến một đường cho nó cắt đường kia.
a⊥b khi góc giữa chúng bằng 90∘; hai đường thẳng vuông góc có thể cắt nhau hoặc chéo nhau.
Đường thẳng vuông góc với mặt phẳng
Điều kiện: nếu d vuông góc với hai đường thẳng cắt nhau nằm trong (P) thì d⊥(P). Khi đó d vuông góc với mọi đường thẳng nằm trong (P).
Hình chiếu vuông góc của điểm M trên (P) là giao điểm H của (P) với đường thẳng qua M vuông góc với (P).
Định lí ba đường vuông góc: cho đường thẳng a nằm trong (P) và đường thẳng b không vuông góc với (P), b′ là hình chiếu vuông góc của b trên (P). Khi đó a⊥b⇔a⊥b′.
Hai mặt phẳng vuông góc
(P)⊥(Q) khi (P) chứa một đường thẳng vuông góc với (Q).
Nếu (P)⊥(Q) theo giao tuyến Δ thì mọi đường thẳng nằm trong (P) và vuông góc với Δ đều vuông góc với (Q) — cách hay dùng để tìm đường cao khi "mặt bên vuông góc với đáy".
Hai mặt phẳng cắt nhau cùng vuông góc với mặt phẳng thứ ba thì giao tuyến của chúng vuông góc với mặt phẳng thứ ba.
Hình lăng trụ đứng, hình chóp đều
Lăng trụ đứng: cạnh bên vuông góc với đáy, các mặt bên là hình chữ nhật. Lăng trụ đều: lăng trụ đứng có đáy là đa giác đều. Hình hộp chữ nhật, hình lập phương là các trường hợp riêng.
Hình chóp đều: đáy là đa giác đều và chân đường cao trùng với tâm của đáy (giao hai đường chéo của hình vuông; trọng tâm của tam giác đều). Các cạnh bên bằng nhau, các mặt bên là những tam giác cân bằng nhau.
Góc
Góc
Cách xác định
Khoảng giá trị
Giữa hai đường thẳng a, b
Góc giữa hai đường thẳng cùng đi qua một điểm, lần lượt song song với a, b
[0∘;90∘]
Giữa đường thẳng d và mặt phẳng (P)
Góc giữa d và hình chiếu d′ của nó trên (P) (bằng 90∘ nếu d⊥(P))
[0∘;90∘]
Góc nhị diện [M,Δ,N]
Lấy O∈Δ; kẻ Ox⊥Δ trong nửa mặt phẳng chứa M, Oy⊥Δ trong nửa mặt phẳng chứa N; góc phẳng nhị diện là xOy
[0∘;180∘]
Khoảng cách
Khoảng cách
Cách tính
Từ điểm M đến mặt phẳng (P)
Độ dài MH với H là hình chiếu vuông góc của M trên (P)
Giữa đường thẳng a và mặt phẳng (P) song song
Khoảng cách từ một điểm bất kì của a đến (P)
Giữa hai mặt phẳng song song
Khoảng cách từ một điểm của mặt phẳng này đến mặt phẳng kia
Giữa hai đường thẳng chéo nhau a, b
Độ dài đoạn vuông góc chung; hoặc, nếu a∥(P) với (P)⊃b, bằng d(a,(P))
Dời điểm: nếu đường thẳng MN cắt (P) tại I thì d(N,(P))d(M,(P))=INIM; nếu MN∥(P) thì hai khoảng cách bằng nhau.
Tứ diện vuôngOABC (OA, OB, OC đôi một vuông góc): khoảng cách h từ O đến (ABC) thỏa h21=OA21+OB21+OC21.
Thể tích
Khối
Công thức (S: diện tích đáy, h: chiều cao)
Khối chóp
V=31S⋅h
Khối lăng trụ
V=S⋅h
Khối hộp chữ nhật
V=abc
Khối chóp cụt đều (đáy S, S′)
V=3h(S+S′+SS′)
Diện tích đáy hay dùng: tam giác đều cạnh a là 4a23 (đường cao 2a3); tam giác vuông là nửa tích hai cạnh góc vuông; hình vuông cạnh a có đường chéo a2. Đổi đơn vị: 1dm3=1lıˊt=1000cm3; 1m3=1000dm3.
Dạng bài thường gặp trong đề thi
Dạng
Thường gặp ở
Mức độ hay hỏi
1. Chứng minh quan hệ vuông góc
Phần I, II
Nhận biết, thông hiểu
2. Góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng
Phần I, III
Nhận biết đến vận dụng
3. Góc nhị diện
Phần I, III
Thông hiểu, vận dụng
4. Khoảng cách
Phần I, III
Thông hiểu, vận dụng
5. Thể tích khối chóp, lăng trụ
Phần I, III
Nhận biết đến vận dụng
6. Câu đúng/sai tổng hợp
Phần II
Cả ba mức
Nhiều ví dụ dưới đây dùng chung hình chóp sau: S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật, AB=a, AD=a3, SA⊥(ABCD) và SA=2a. Mô hình dưới đây vẽ đúng hình chóp này (lấy a=2) cùng đoạn AH⊥SB.
Hình học không gian xoay được
Xoay hình để thấy BC vuông góc với cả AB và SA, nên AH (nằm trong mặt SAB) vuông góc với mặt phẳng SBC
Đang chuẩn bị mô hình…
Dạng 1: Chứng minh quan hệ vuông góc
Phương pháp.
Muốn chứng minh d⊥(P): tìm hai đường thẳng cắt nhau trong (P) cùng vuông góc với d. Nguồn quen thuộc: cạnh bên vuông góc với đáy, hai cạnh kề của hình chữ nhật, hai đường chéo của hình vuông, đường trung tuyến của tam giác cân.
Muốn chứng minh a⊥b: chứng minh a vuông góc với một mặt phẳng chứa b, hoặc dùng định lí ba đường vuông góc.
Muốn chứng minh (P)⊥(Q): tìm trong (P) một đường thẳng vuông góc với (Q).
Xem lời giải
AA′ vuông góc với hai đường cắt nhau AB, AD của mặt đáy nên AA′⊥(ABCD); tương tự AA′⊥(A′B′C′D′) (hai mặt đáy song song). Do đó AA′ vuông góc với mọi đường thẳng nằm trong hai mặt đáy: AB, BD (thuộc (ABCD)), B′C′, A′C′ (thuộc (A′B′C′D′)). Cả bốn đường đều vuông góc với AA′ — kể cả B′C′, BD không cắt AA′.
Xem lời giải
BC⊥AB (đáy là hình chữ nhật) và BC⊥SA (vì SA⊥(ABCD)). Hai đường thẳng AB, SA cắt nhau tại A và nằm trong (SAB), nên BC⊥(SAB).
Mặt phẳng (SBC) chứa BC vuông góc với (SAB), nên (SBC)⊥(SAB).
Xem lời giải
Hình chóp đều nên SO⊥(ABCD), suy ra SO⊥BD. Đáy là hình vuông nên BD⊥AC.
BD vuông góc với hai đường cắt nhau AC, SO của mặt phẳng (SAC), nên BD⊥(SAC). Vì SC⊂(SAC) nên BD⊥SC.
Mặt phẳng (SBD) chứa BD⊥(SAC) nên (SBD)⊥(SAC).
Dạng 2: Góc giữa hai đường thẳng, giữa đường thẳng và mặt phẳng
Phương pháp.
Hai đường thẳng chéo nhau: thay một đường bằng đường song song với nó sao cho hai đường cắt nhau, rồi tính góc trong một tam giác (thường là tam giác đều, vuông, cân).
Đường thẳng d và mặt phẳng (P): tìm giao điểm I của d với (P); lấy điểm M∈d và tìm hình chiếu H của M trên (P). Góc cần tìm là MIH, tính bằng tanMIH=IHMH hoặc sinMIH=MIMH.
Khi tính số đo bằng máy, đặt chế độ độ và chỉ làm tròn kết quả cuối.
Xem lời giải
a) AA′⊥(ABCD) và BD⊂(ABCD) nên AA′⊥BD: góc bằng 90∘.
b) DC′∥AB′ (vì ADC′B′ là hình chữ nhật), nên góc giữa AB và DC′ bằng góc giữa AB và AB′, tức BAB′=45∘ (đường chéo của hình vuông ABB′A′).
Xem lời giải
BC′∥AD′ (vì ABC′D′ là hình chữ nhật), nên góc giữa AB′ và BC′ bằng góc giữa AB′ và AD′.
Ba đoạn AB′, AD′, B′D′ đều là đường chéo của các mặt hình vuông nên bằng nhau: tam giác AB′D′ đều. Vậy góc cần tìm bằng B′AD′=60∘.
Xem lời giải
SC cắt (ABCD) tại C; hình chiếu của S trên đáy là A. Vậy AC là hình chiếu của SC và góc cần tìm là SCA.
AC=a2+3a2=2a, tanSCA=ACSA=2a2a=1, nên góc bằng 45∘.
Xem lời giải
SC cắt (SAB) tại S. Theo Dạng 1, BC⊥(SAB) nên B là hình chiếu của C trên (SAB); hình chiếu của SC là SB. Góc cần tìm là BSC, tam giác SBC vuông tại B:
SBtanBSC=SA2+AB2=a5,=SBBC=a5a3=53.
BSC≈37,76∘. Ghi phiếu: 37,8.
Dạng 3: Góc nhị diện
Phương pháp.
Xác định cạnhΔ của góc nhị diện (giao tuyến của hai mặt).
Chọn điểm O trên Δ sao cho dựng được hai tia vuông góc với Δ nằm trong hai mặt. Mẹo: nếu có một đường thẳng SH⊥ mặt thứ hai, kẻ HM⊥Δ thì SM⊥Δ (định lí ba đường vuông góc), góc phẳng là SMH.
Tính góc trong tam giác vuông SHM. Góc giữa mặt bên và mặt đáy của hình chóp đều: M là trung điểm cạnh đáy, H là tâm đáy.
Xem lời giải
Theo Dạng 1, BC⊥(SAB) nên BC⊥SB và BC⊥AB: hai tia BS, BA cùng vuông góc với cạnh BC tại B. Góc phẳng nhị diện [S,BC,A] là SBA.
tanSBA=ABSA=2, nên số đo ≈63,4∘.
Xem lời giải
Gọi M là trung điểm BC. Tam giác đều nên AM⊥BC và O nằm trên AM với OM=31AM=31⋅2a3=6a3.
SO⊥(ABC) và OM⊥BC nên SM⊥BC (định lí ba đường vuông góc). Hai tia MS, MA cùng vuông góc với BC tại M: góc phẳng là SMO.
tanSMO=OMSO=2a:6a3=3⇒SMO=60∘.
Xem lời giải
AB⊥AD (hình chữ nhật). DH⊥ mặt đất nên DH⊥AB; vậy AB⊥(ADH), suy ra AB⊥AH. Hai tia AD, AH cùng vuông góc với cạnh AB tại A: góc phẳng nhị diện là DAH.
Tam giác DAH vuông tại H: sinDAH=ADDH=60,5, nên DAH≈4,78∘. Ghi phiếu: 4,8.
Dạng 4: Khoảng cách
Phương pháp.
Điểm đến mặt phẳng: ưu tiên tính từ chân đường caoA — kẻ AE⊥ giao tuyến, rồi AH⊥SE thì AH là khoảng cách. Công thức nhanh trong tam giác vuông: AH21=SA21+AE21.
Điểm "khó": dời về chân đường cao bằng song song hoặc theo tỉ số INIM.
Hai đường chéo nhau: tìm mặt phẳng chứa đường này và song song với đường kia, rồi đưa về khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng.
Xem lời giải
SA⊥(ABCD) nên d(S,(ABCD))=SA=2a.
CB⊥(SAB) (Dạng 1) và B∈(SAB) nên B là hình chiếu của C: d(C,(SAB))=CB=AD=a3.
Xem lời giải
Kẻ AH⊥SB (H∈SB). Vì BC⊥(SAB) nên BC⊥AH. Vậy AH⊥SB và AH⊥BC, suy ra AH⊥(SBC):
AH21=SA21+AB21=4a21+a21=4a25.
Suy ra d(A,(SBC))=AH=52a5.
Xem lời giải
AD∥BC nên AD∥(SBC), mà SC⊂(SBC). Do đó
d(AD,SC)=d(AD,(SBC))=d(A,(SBC))=52a5.
Đường thẳng AO cắt (SBC) tại C và ACOC=21, nên
d(O,(SBC))=21d(A,(SBC))=5a5.
Với a=2: 525≈0,894. Ghi phiếu: 0,89.
Dạng 5: Thể tích khối chóp, lăng trụ
Phương pháp.
Xác định đáy và đường cao (đoạn vuông góc với mặt đáy). Với hình chóp có mặt bên vuông góc với đáy, đường cao nằm trong mặt bên đó.
Tính diện tích đáy theo dạng hình (tam giác đều, vuông, hình chữ nhật...).
Chóp: nhân 31; lăng trụ: không nhân 31. Đổi về đơn vị đề hỏi trước khi ghi đáp số.
Xem lời giải
SABC=4223=3; V=31⋅3⋅3=3≈1,73.
Xem lời giải
SO⊥(ABCD) nên góc giữa SA và đáy là SAO. OA=2a2, cosSAO=SAOA=21, góc bằng 60∘.
Ghi phiếu: 76 (đề hỏi đề-xi-mét khối; ghi 76000 là sai đơn vị và vượt 4 kí tự).
Dạng 6: Câu đúng/sai tổng hợp
Phương pháp. Bốn ý thường đi từ dễ đến khó: quan hệ vuông góc → góc → khoảng cách → thể tích. Làm lần lượt, dùng kết quả ý trước cho ý sau; với mỗi ý sai, chỉ ra con số đúng để chắc chắn.
Xem lời giải
a) Đúng. Xem Dạng 1.
b) Sai. Hình chiếu của SC trên đáy là AC=2a (đường chéo, không phải cạnh), tanSCA=1 nên góc bằng 45∘ (Dạng 2).
c) Đúng. Xem Dạng 4.
d) Sai.V=31⋅SABCD⋅SA=31⋅a⋅a3⋅2a=323a3 (quên hệ số 31 sẽ ra 23a3).
Xem lời giải
a) Đúng. Tam giác ABC đều nên BC⊥AM; lăng trụ đứng nên BC⊥AA′. Hai đường AM, AA′ cắt nhau tại A nên BC⊥(AA′M).
b) Sai. Từ ý a, BC⊥A′M và BC⊥AM, góc phẳng nhị diện là A′MA. AM=2a3=AA′ nên tam giác A′AM vuông cân tại A: góc bằng 45∘.
c) Đúng. Kẻ AK⊥A′M. Vì BC⊥(AA′M) nên BC⊥AK, suy ra AK⊥(A′BC):
AK21=AA′21+AM21=3a24+3a24=3a28,
nên AK=a83=4a6.
d) Đúng.VA′.ABC=31⋅4a23⋅2a3=8a3 (bằng một phần ba thể tích khối lăng trụ 83a3).
Bẫy và lỗi thường gặp
Mẹo làm bài
Tự luyện
(Nhận biết) Cho hình chóp S.ABC có SA⊥(ABC) và tam giác ABC vuông tại B. Góc nhị diện [S,BC,A] có góc phẳng là góc nào?
Xem đáp án
BC⊥AB và BC⊥SA nên BC⊥(SAB), suy ra BC⊥SB. Hai tia BS, BA cùng vuông góc với BC tại B: góc phẳng là SBA.
(Nhận biết) Tính thể tích khối lăng trụ đứng ABC.A′B′C′ có đáy là tam giác đều cạnh a và AA′=a3.
Xem đáp án
V=4a23⋅a3=43a3.
(Nhận biết) Tính độ dài đường chéo của hình hộp chữ nhật có ba kích thước 3, 4, 12.
Xem đáp án
32+42+122=169=13.
(Thông hiểu) Với hình chóp S.ABCD chung của bài, tính khoảng cách từ D đến mặt phẳng (SBC).
Xem đáp án
AD∥(SBC) nên d(D,(SBC))=d(A,(SBC))=52a5.
(Thông hiểu) Vẫn với hình chóp đó, góc nhị diện [S,CD,A] có góc phẳng là góc nào? Tính số đo (làm tròn đến hàng phần mười của độ).
Xem đáp án
CD⊥AD và CD⊥SA nên CD⊥(SAD), suy ra CD⊥SD. Góc phẳng là SDA với tanSDA=a32a=32, số đo ≈49,1∘.
(Thông hiểu) Vẫn với hình chóp đó, tính số đo góc nhị diện [A,SB,C].
Xem đáp án
BC⊥(SAB) nên (SBC)⊥(SAB); hai mặt phẳng vuông góc theo giao tuyến SB, góc nhị diện [A,SB,C] bằng 90∘.
(Vận dụng, phần III) Tính góc giữa đường chéo AC′ của hình lập phương ABCD.A′B′C′D′ và mặt phẳng (ABCD) (đơn vị độ, làm tròn đến hàng phần mười).
Xem đáp án
Hình chiếu của AC′ trên đáy là AC. Với cạnh 1: CC′=1, AC=2, tanC′AC=21, góc ≈35,3∘. Ghi phiếu: 35,3.
(Vận dụng, phần III) Tứ diện OABC có OA, OB, OC đôi một vuông góc, OA=1, OB=2, OC=3. Tính khoảng cách từ O đến mặt phẳng (ABC) (làm tròn đến hàng phần trăm).
Xem đáp án
h21=11+41+91=3649⇒h=76≈0,857. Làm tròn: 0,86.
(Vận dụng thực tế, phần III) Một khối gỗ đặc có dạng lăng trụ đứng, đáy là tam giác vuông có hai cạnh góc vuông 30cm và 40cm, chiều cao 50cm. Gỗ có khối lượng riêng 0,6g/cm3. Tính khối lượng khối gỗ (kilôgam).
Xem đáp án
V=21⋅30⋅40⋅50=30000(cm3); khối lượng 30000⋅0,6=18000(g)=18(kg).
(Vận dụng thực tế, phần III) Lòng một bể nước hình hộp chữ nhật có kích thước 2m×1,5m×1,2m (chiều cao 1,2m). Nước trong bể cao bằng 80% chiều cao lòng bể. Tính lượng nước trong bể (lít).
Xem đáp án
Chiều cao nước 1,2⋅0,8=0,96(m); thể tích 2⋅1,5⋅0,96=2,88(m3)=2880 lít.
Kiểm tra lại kiến thức vừa ôn
Làm 10 câu luyện tập về quan hệ vuông góc trong không gian và xem lời giải ngay sau mỗi câu.