Câu 39 trang 121 Sách bài tập Hình học 11 Nâng cao

Đề bài

Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình vuông cạnh a, cạnh bên SA vuông góc với mặt đáy (ABCD) và SA = a.

a) Chứng minh rằng các mặt bên của hình chóp S.ABCD là các tam giác vuông.

b) Từ A kẻ \(A{B_1} \bot SB,A{{\rm{D}}_1} \bot S{\rm{D}}\). Chứng tỏ rằng \(mp\left( {A{B_1}{D_1}} \right) \bot SC\).

Gọi C₁ là giao điểm của SC với mp(AB₁C₁). Chứng tỏ rằng tứ giác AB₁C₁D₁ có hai đường chéo vuông góc và tính diện tích của tứ giác đó.

Lời giải chi tiết

a) Dễ dàng thấy SAB, SAD là các tam giác vuông tại A.

Mặt khác \(SA \bot \left( {ABC{\rm{D}}} \right),A{\rm{D}} \bot DC\) nên \(S{\rm{D}} \bot DC\) (định lí ba đường vuông góc), do đó SDC là tam giác vuông tại D.

Tương tự , SBC là tam giác vuông tại B.

b) Dễ dàng chứng minh được

\(\eqalign{  & A{{\rm{D}}_1} \bot \left( {SC{\rm{D}}} \right)  \cr  &  \Rightarrow A{{\rm{D}}_1} \bot SC \cr} \)

Cũng như vậy, ta có \(A{B_1} \bot SC\)

Vậy \(SC \bot \left( {A{B_1}{D_1}} \right)\).

Gọi \(O = AC \cap B{\rm{D}},{O_1} = {B_1}{D_1} \cap SO\) thì \({C_1} = A{O_1} \cap SC\).

Mặt khác \(\Delta SAB = \Delta SA{\rm{D}}\left( {c.g.c} \right)\) nên B₁D₁ // BD.

Ta lại có

\(\eqalign{  & B{\rm{D}} \bot \left( {SAC} \right)  \cr  &  \Rightarrow {B_1}{D_1} \bot \left( {SAC} \right) \Rightarrow {B_1}{D_1} \bot A{C_1} \cr} \)

Từ đó \({S_{A{B_1}{C_1}{D_1}}} = {1 \over 2}A{C_1}.{B_1}{D_1}\)

Ta có

\(\eqalign{  & A{C_1} = {{SA.AC} \over {SC}} = {{a\sqrt 6 } \over 3}  \cr  & {{{B_1}{D_1}} \over {B{\rm{D}}}} = {{S{B_1}} \over {SB}} = {{S{B_1}.SB} \over {S{B^2}}} = {{S{A^2}} \over {S{B^2}}} = {{{a^2}} \over {2{{\rm{a}}^2}}}  \cr  &  \Rightarrow {B_1}{D_1} = {{a\sqrt 2 } \over 2} \cr} \)

(Chú ý: Có thể thấy B₁, D₁ thứ tự là trung điểm của SB là SD nên B₁D₁ // BD và \({B_1}{D_1} = {1 \over 2}B{\rm{D}}\))

Vậy \({S_{A{B_1}{C_1}{D_1}}} = {1 \over 2}.{{a\sqrt 6 } \over 3}.{{a\sqrt 2 } \over 2} = {{{a^2}\sqrt 3 } \over 6}\).