Câu hỏi:

Xét khối chóp \(S.ABC\) có đáy \(ABC\) là tam giác đều, \(SA\) vuông góc với đáy, khoảng cách từ \(A\) đến mặt phẳng \(\left( {SBC} \right)\) bằng \(2\). Gọi \(\alpha \) là góc giữa 2 mặt phẳng \(\left( {SBC} \right)\) và \(\left( {ABC} \right)\). Tính \(\cos \alpha \) khi thể tích khối chóp \(S.ABC\) nhỏ nhất.

  • A \(\cos \alpha  = \dfrac{{\sqrt 5 }}{3}\).
  • B \(\cos \alpha  = \dfrac{{\sqrt 2 }}{3}\).
  • C \(\cos \alpha  = \dfrac{{\sqrt 3 }}{3}\).
  • D \(\cos \alpha  = \dfrac{2}{3}\).

Phương pháp giải:

- Xác định khoảng cách từ \(A\) đến \(\left( {SBC} \right)\) bằng phương pháp kẻ 3 nét.

- Xác định góc giữa \(\left( {SBC} \right)\) và \(\left( {ABC} \right)\) bằng góc giữa hai đường thẳng lần lượt thuộc hai mặt phẳng và cùng vuông góc với giao tuyến.

- Tính \(SA,\,\,AI\) theo \(\alpha \). Từ đó tính \(AB\) theo \(\alpha \).

- Tính \({S_{ABC}}\) theo \(\alpha \), tính \({V_{S.ABC}}\) theo \(\alpha \).

- Sử dụng phương pháp hàm số để tìm GTLN của hàm số.

Lời giải chi tiết:

Dựng \(AI \bot BC\) (\(I\) là trung điểm của BC, do tam giác ABC đều).

Dựng \(AK \bot SI\) ta có:

\(\left\{ \begin{array}{l}BC \bot AI\\BC \bot SA\end{array} \right. \Rightarrow BC \bot \left( {SAI} \right) \Rightarrow BC \bot AK\).

\(\left\{ \begin{array}{l}AK \bot BC\\AK \bot SI\end{array} \right. \Rightarrow AK \bot \left( {SBC} \right)\)\( \Rightarrow d\left( {A;\left( {SBC} \right)} \right) = AK = 2\).

Ta có: \(BC \bot \left( {SAI} \right)\,\,\left( {cmt} \right) \Rightarrow BC \bot SI\).

\(\left\{ \begin{array}{l}\left( {SBC} \right) \cap \left( {ABC} \right) = BC\\\left( {SBC} \right) \supset SI \bot BC\\\left( {ABC} \right) \supset AI \bot BC\end{array} \right.\) \( \Rightarrow \angle \left( {\left( {SBC} \right);\left( {ABC} \right)} \right) = \angle \left( {SI;AI} \right) = \angle SIA = \alpha \).

Dễ nhận thấy \(\angle SAK = \angle SIA = \alpha \) (cùng phụ với \(\angle KAI\)).

Ta có: \(SA = \dfrac{{AK}}{{{\rm{cos}}\alpha }} = \dfrac{2}{{{\rm{cos}}\alpha }},\,\,AI = \dfrac{{AK}}{{\sin \alpha }} = \dfrac{2}{{\sin \alpha }}\).

Tam giác \(ABC\) đều

\(\begin{array}{l} \Rightarrow AI = \dfrac{{AB\sqrt 3 }}{2} \Rightarrow AB = \dfrac{{2AI}}{{\sqrt 3 }} = \dfrac{4}{{\sqrt 3 \sin \alpha }}\\ \Rightarrow {S_{ABC}} = \dfrac{1}{2}.\dfrac{2}{{\sin \alpha }}.\dfrac{4}{{\sqrt 3 \sin \alpha }} = \dfrac{4}{{\sqrt 3 {{\sin }^2}\alpha }}\end{array}\)

Thể tích khối chóp \(S.ABC\) là:

\(\begin{array}{l}V = \dfrac{1}{3}.SA.{S_{ABC}} = \dfrac{1}{3}.\dfrac{2}{{{\rm{cos}}\alpha }}.\dfrac{4}{{\sqrt 3 {{\sin }^2}\alpha }}\\\,\,\,\,\, = \dfrac{{8\sqrt 3 }}{9}.\dfrac{1}{{{{\sin }^2}\alpha .{\rm{cos}}\alpha }} = \dfrac{{8\sqrt 3 }}{9}.\dfrac{1}{{\left( {1 - {\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\alpha } \right){\rm{.cos}}\alpha }}\end{array}\)

Xét hàm số \(f\left( x \right) = \left( {1 - {x^2}} \right)x\) với \(x \in \left( {0;1} \right)\) ta có: \(f'\left( x \right) = 1 - 3{x^2}.\)

Cho \(f'\left( x \right) = 0 \Leftrightarrow x = \dfrac{1}{{\sqrt 3 }}\).

Ta có: \(f\left( 0 \right) = f\left( 1 \right) = 0,\,\,f\left( {\dfrac{1}{{\sqrt 3 }}} \right) = \dfrac{{2\sqrt 3 }}{9}.\)

\( \Rightarrow \mathop {{\rm{max}}}\limits_{\left( {0;1} \right)} f\left( x \right) = f\left( {\dfrac{1}{{\sqrt 3 }}} \right) = \dfrac{{2\sqrt 3 }}{9}\).

\( \Rightarrow \) Thể tích khối chóp S.ABC đạt GTNN bằng \(\dfrac{{8\sqrt 3 }}{9}.\dfrac{1}{{\dfrac{{2\sqrt 3 }}{9}}} = 4\) khi và chỉ khi \({\rm{cos}}\alpha  = \dfrac{1}{{\sqrt 3 }} = \dfrac{{\sqrt 3 }}{3}\).

Chọn: C.


Quảng cáo

Luyện Bài Tập Trắc nghiệm Toán 12 - Xem ngay