Nếu tam giác là một hình cơ sở của các hình trong hình học phẳng thì tứ diện đợc xem là cơ sở cuả các hình trong không gian.. Cũng nh trong hình học phẳng nếu ta không hiểu sâu, không nắ
Trang 1Mở đầu
I Lý do chọn đề tài.
Hình học nói chung và hình học không gian nói riêng là môn học lý thú, giúp cho sự phát triển t duy của học sinh, đặc biệt là t duy trừu tợng Tuy nhiên khi nhắc đến không gian cũng nh khi hỏi một học sinh nào đó về một bài toán hình không gian thì các em thờng lắc đầu và la khó
Vì sao có hiện tợng đó? sở dĩ có hiện tợng đó là do nó xuất phát từ đặc tính riêng của hình không gian Khi ta mới tiếp cận với hình không gian ta cảm thấy nó là một môn học cực khó Vì khi giải toán ta không chỉ phải có cái nhìn trừu tợng có sự tởng tợng ra hình thể của nó, mà đôi khi còn phải tởng tợng ra kết cấu không gian của nó nh thế nào, hoặc đôi khi ta còn phải liên hệ với các vật thể trong thực tế Cái khó là ở chỗ đó Song nếu chỉ vì cái khó đó mà ta không có cái nhìn mới hoặc đầu t vào môn hình học không gian thì hình không gian mãi mãi là môn học khó nhất Tuy nhiên nếu ta tập trung, say mê hình học không gian thì ta mới thấy đợc hình không gian là môn học lý thú, nó không hề khó nh ta thờng nghĩ
Riêng tôi hình học không gian là một môn học mà tôi yêu thích, vì vạy tôi quyết định chọn đề tài này để nghiên cứu
Nếu tam giác là một hình cơ sở của các hình trong hình học phẳng thì tứ diện đợc xem là cơ sở cuả các hình trong không gian Cũng nh trong hình học phẳng nếu ta không hiểu sâu, không nắm vững các tính chất cơ bản của tứ diện thì việc giải các bài toán không gian sẽ gặp rất nhiều khó khăn và việc học hình học không gian đã khó lại càng khó hơn
Từ những lý do trên, tôi quyết định nghiên cứu về hình học không gian
và tôi chọn đề tài "Mở rộng một số tính chất của tam giác trong hình học phẳng cho tứ diện trong không gian", với mong muốn, một mặt tự bản thân đợc hiểu sâu hơn về hình học không gian, mặt khác tôi chỉ mong sao đề tài nghiên cứu của mình giúp ích cho học sinh học hình học không gian tốt hơn
II Nội dung:
Nội dung đề tài gồm hai phần:
Phần I: Nhắc lại một số tính chất của tam giác trong hình học phẳng Phần II: Phát biểu mở rộng một số tính chất của tam giác trong hình
học phẳng cho tứ diện trong không gian
Trang 2III Phơng pháp nghiên cứu:
Trong quá trình nghiên cứu cơ sở su tầm các tài liệu thông qua quá trình phân tích, tổng hợp, lựa chọn Kết hợp giải và tham khảo các tài liệu sắp xếp các tính chất, các bài toán sao cho nó đảm bảo tính hệ thống, tính khoa học của đề tài
IV Giới hạn đề tài:
Dù có tham vọng nghiên cứu sâu hơn song tôi chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu một số tính chất một soó bài toán cơ bản, thông dụng
Để hoàn thành đợc đề tài này tôi đã phải hết sức nỗ lực, song sự nỗ lực của tôi sẽ không đạt đợc kết quả cao nếu không có sự giúp đỡ tận tình của các thành viên trong tổ khoa học tự nhiên của nhà trờng Tôi xin chân thành cảm
ơn vì sự giúp đỡ đó./
Ngời viết đề tài
Giáo viên:Mai Thanh Huệ
2
Trang 3Phần I:
Nhắc lại một số tính chất của tam giác
trong hình học phẳng
1 Tính chất của phân giác.
Cho ABC, AD là đờng phân giác thì
=
2 Tính chất về trung tuyến:
Trong tam giác, 3 đờng trung tuyến cắt nhau tại một điểm, điểm này chia trung tuyến thành hai phần theo tỷ số 1: 3 tính từ đáy
3 Tính chất của trung trực:
Trong mọi tam giác, 3 đờng trung trực cắt nhau tại một điểm, điểm này cách đều ba đỉnh của tam giác
4 Tính chất đờng trung bình.
Đờng trung bình của tam giác song song với cạnh đáy và bằng 1/2 độ dài cạnh đáy
5 Tính chất ba đờng cao:
Trong một tam giác bất kỳ 3 đờng cao đồng quy tại một điểm, điểm này gọi là trực tâm của tam giác
Phần II:
Phát biểu mở rộng một số tính chất của tam giác trong hình học phẳng
cho tứ diện trong không gian
1 Tính chất của phân giác:
Ta nêu tính chất của mặt phẳng phân giác qua bài toán
Bài toán 1: Cho tứ diện ABCD, có 6 mặt phẳng phân giác của 6 nhị
diện các cạnh của tứ diện cắt nhau tại một điểm, điểm này cách đều 4 mặt của
tứ diện (điểm này gọi là tâm mặt cầu nội tiếp tứ diện) Gọi (P) là phân giác nhị diện AB (P) cắt CD tại M Gọi S1, S2 là diện tích ABC và ABD
Khi đó: =
Bài giải:
3
A
D
N
I
M B
d
Trang 4Cho tứ diện ABCD Gọi 1, 2, 3, 4, 5, 6 lần lợt là 6 mặt phẳng phân giác nhị diện cạnh AB; AC; AD; BC; BD và CD
Khi đó đặt: d1= (1) (2) và I = d1 (3)
Ta có: I d1 I (1) và I (2); I (3)
Mặt khác: (1) là phân giác nhị diện cạnh AB
d(I;(ABC)) = d(I;(ABD)
(2) là phân giác nhị diện cạnh CD
d(I;(ACD)) = d(I;(BCD)
(3) là phân giác nhị diện cạnh AC
d(I;(ABC)) = d(I;(ACD)
d(I;(ABC)) = d(I;(ACD) = d(I; (BCD)) = d(I;(ABD))
I (1) (2) (3) là duy nhất do đó giao điểm của (1); (2); (3); (4); (5); (6) là duy nhất
Giả sử (P) là mặt phẳng phân giác của nhị điện cạnh AB và (P)CD=M Khi đó:
Mặt khác do (P) là phân giác của nhị diện cạnh AB và M(P)
d(M; (ABC)) = d(M;(ABD))
2
1 ))
(
; ( 3 1
)) (
; ( 3 1
S
S S
S ABD M
d S
ABC M
d S V
V MD
MC
ABD ABC
ABD
ABC
ABDM
2 Tính chất về trung tuyến.
Ta phát biểu mở rộng tính chất trung tuyến trong tam giác cho tứ diện qua bài toán
Bài toán 2:
Chứng minh rằng trong tứ diện ABCD các đờng nối từ đỉnh đến trọng tâm các mặt đối diện của tứ diện đồng quy tại một điểm (gọi là trọng tâm của
4
Trang 5tứ diện) Điểm này chia đoạn thẳng nối từ đỉnh đến trọng tâm mặt đối diện thành hai đoạn có độ dài tơng ứng theo tỷ số 1:3
Bài giải:
Cho tứ diện ABCD Gọi G1, G2, G3, G4 tơng ứng là trọng tâm của tam giác đối diện với đỉnh A, B, C và D tơng ứng Gọi M là trung điểm của CD Khi đó AM và BM là trung tuyến của ADC và BCD G1BM, G2BM
G1, G2 (ABM) AG1 và BG2 cắt nhau tại G
Ta có: G1, G2 là trọng tâm của BCD và ACD
G1G2 //AB
Do AG1BG2 = G =
Do G1 cố định G AG1 cố định
Chứng minh tơng tự DG4 và CD3 đi qua G và ta có:
* Chú ý : Các đờng AG1, BG2, CG3, DG4 đợc gọi là trụng tuyến của
tứ diện
Sau đây ta xét thêm tính chất của trọng tâm của tứ diện qua bài toán sau
Bài toán 3: Cho tứ diện ABCD Chứng minh rằng đờng nối trung điểm
của các cặp cạnh đối diện của tứ diện cắt nhau tại trọng tâm của tứ diện
Bài giải:
D B
C
M
G 2 G
G 1
A
A
Q
D
N C
P B
M
S R
Trang 6Trớc hết ta chứng minh các đờng nối trung điểm của các cặp cạnh đối diện của tứ diện đồng quy
Gọi M, N, P, Q, R và S lần lợt là trung điểm của AB; CD; BC; AD;
AC và BD
Khi đó:
BC MR
MB MA
RC AR
2
1 //
BC NS
ND NC
SB SD
2
1 //
MR//= NS MRNS là hình bình hành MN và RS cắt nhau tại trung
điểm G' của MN và RS
Chứng minh tơng tự MQNP là hình bình hành
QP đi qua trung điểm G' của MN
MN, PQ, RS đồng quy tại G'
Ta gọi: G' = MN PQ RS Ta chứng minh G' G là trọng tâm của
tứ diện
Gọi G1 là trọng tâm của BCD mp (ABN) mp(APD) = AG1
Mặt khác:
' )
( ' '
) ( ' '
G APD
G PQ G
ABN G
MN G
AG 1= (ABN) (APD)
Hay A, G', G1 thẳng hàng
Gọi G2 là trọng tâm ABC Chứng minh tơng tự ta cũng có G' BG2 G' = AG1BG2 G' G là trọng tâm của tứ diện ABCD
(Điều phải chứng minh)
3 Tính chất của trung trực:
Ta phải biến mở rộng tính chất của trung trực của tam giác cho tứ diện qua bài toán
Bài toán 4: Cho tứ giác ABCD, khi đó 6 mặt phẳng trung trực của 6
cạnh cắt nhau tại 1 điểm, điểm này cách đều các đỉnh của tứ diện (Điểm này gọi là tâm mặt cầu giao tiếp tứ diện)
Bài giải:
6
I
D N
C M B
O P O
1
A
Trang 7Cho tứ diện ABCD gọi P1, P2, P3, P4, P5 và P6 là 6 mặt phẳng trung trực của 6 cạnh: AB; CD; DA;BC; BD và AC của tứ diện
Gọi M, N, P là các trung điểm của BC; CD và BD Khi đó gọi O1 là tâm
đờng tròn ngoại tiếp BCD O1B = O1C và O1M BC; O1NCD; O1PBD
Từ O1 dựng đờng thẳng d mp (BCD)
d = P2P4P5 Thật vậy ta có d(BCD)
d BC; d CD; d BD
Mặt khác O1MBC; O1NCD; O1PBD
(d;M)BC; (d;N)CD; (d;P)BD
Do M,N là trung điểm của BC; CD và DB
(d;M) là mặt phẳng trung trực của BC
(d;N) là mặt phẳng trung trực của CD
(d;P) là mặt phẳng trung trực của BD
(d;M) P4; (d;N) P2; (d;P) P5
p2P4P5 = d
Gọi O = dP6 ((P6) là mặt phẳng trung trực của AC)
Od OB = OC = OD
OP6 OA = OC (4.1)
O' (P1)(P2) (P3) (P4) (P5) (P6)
O' d P1 O' O
Giao điểm O của P1, P2, P3, P4, P5, P6 là duy nhất
(P) cắt d tại O, ta có O = (P1)(P2) (P6)
Thật vậy ta có O(P) mặt phẳng trung trực của AD OA = OD
Vậy O đờng trung trực của AB; CD; AD; BD; AC và BC
Do đó: O = (P1)(P2) (P6)
Theo (4.1) O cách đều các đỉnh của tứ diện
O là tâm mặt cầu ngoại tiếp tứ diện
4 Tính chất đờng trung bình:
Ta mở rộng tính chất của đờng trung bình của tam giác cho tứ diện qua bài toán
Bài toán 5: Cho tứ diện ABCD D', B', C' lần lợt là trung điểm của AD,
AB và AC thì (D'B'C')//(DBC) và SD'B'C' = SDBC
D B
C' A
Trang 8Bài giải:
Cho tứ diện ABCD, gọi B', C', D' là trung điểm của AB; AC và AD Khi đó B'C'; C'D' và D'B' lần lợt là đờng trung bình của tam giác ABC; ACD và ADB
Do đó:
BC C
B
BC C B
2
1 ' '
//
' '
;
DC D
C
DC D C
2
1 ' '
//
' '
;
BD D
B
BD D B
2
1 ' '
//
' '
(B'C'D') //(BCD) và BCD B'C'D' theo tỷ lệ số
(Mặt phẳng (D'B'C') đợc gọi là mặt phẳng trung bình của tứ diện)
5 Tính chất ba đờng cao:
Ta mở rộng tính chất trực tâm của tam giác qua bài toán
Bài toán 6: Cho tứ diện ABCD Chứng minh rằng điều kiện cần và đủ
để 4 đờng cao của tứ diện đồng quy là ABCD là tứ diện trực tâm
Định nghĩa 1: (Tứ diện trực tâm là tứ diện có các cặp cạnh đôi một vuông góc với nhau)
"Tứ diện ABCD đợc gọi là tứ diện trực tâm tơng đơng với AB CD; AC
BD; AD BC"
Định nghĩa 2: Đờng cao của tứ diện là đờng vuông góc hạ từ đỉnh xuống mặt đối diện
Bài giải
* Chứng minh điều kiện cần
8
C
D B
D
1
A
A
1
C M
Trang 9Giải sử ABCD là tứ diện trực
tâm ta chứng minh các đờng cao của
tứ diện đồng quy
Thật vậy gọi A1 là chân đờng
vuông góc hạ từ đỉnh A của tứ diện
Đặt DA1 BC = M
Khi đó: AA1 (BCD) AA1 BC
Mà ABCD là tứ diện trực tâm AD BC BC (AMD) BC MD;
BC AM MD là đờng cao của BCD; AM là đờng cao của ABC
Nếu gọi D1 là hình chiếu vuông góc của D trên AM DD1 AM và
BC DD1 DD1 (ABC) DD1 cũng là đờng cao của tứ diện
Mặt khác ta thấy hai đờng cao của tứ diện AA1; DD1 đều cùng mặt phẳng (AMD) do đó chúng cắt nhau Vậy AA1 cắt DD1
Tơng tự nh trên, ta cũng sẽ chứng minh đợc các đờng cao AA1; BB1;
CC1; DD1 đôi một cắt nhau, mà các mặt phẳng (ABC); (ABD); (ACD); (BCD)
đôi một cắt nhau AA1; BB1; CC1; DD1 không đồng phẳng AA1; BB1; CC1;
DD1 đồng quy
Đặt H = AA1 BB1, CC1 H là trực tâm của tứ diện
* Chứng minh điều kiện đủ
Giả sử ABCD là tứ diện có các đờng cao AA1; BB1; CC1; DD1 đồng quy,
ta chứng minh tứ diện ABCD là tứ diện trực tâm
Đặt H = AA1 BB1, CC1 DD1
M = DA1 BC
Thì AA1 (BCD) AA1 BC
DD1 (ACD) DD1 BC
BC (AMD) BC AD
Chứng minh hoàn toàn tơng tự AB CD và AC BD
ABCD là tứ diện trực tâm
Trang 10(Bài toán đợc chứng minh).
Nhận xét:
Qua việc mở rộng số tính chất của tam giác cho tứ diện ta thấy
+ Hình học phẳng và hình học không gian có mối quan hệ lôgíc có tính tơng hỗ nhau, chứ không nh một số ngời vẫn cho rằng hình học không gian là một mảng riêng của hình học
+ Nếu tam giác là cơ sở của hình học phẳng thì tứ diện là cơ sở của hình học không gian
+ Các tính chất của tam giác trong hình học phẳng hoàn toàn có thể mở rộng đợc cho tứ diện trong không gian
Từ các bài toán mà tôi đã nêu ra ở trên có thể giúp chúng ta có một cách nhìn biện chứng hơn đối với môn hình học và hình không gian nói riêng giúp cho các giáo viên nh bản thân tôi, cũng nh các em học sinh có thể dạy tốt, học tốt hơn phần hình học không gian trong chơng trình THCS
Kết luận.
Đề tài tập trung nghiên cứu một số tính chất của tứ diện với các nội dung bao gồm
Phần I: Trong phần này tôi chỉ đa ra một số tính chất của tam giác theo các (sgk) mà học sinh THCS đã đợc học
Phần II: Trong phần này tôi đã tập trung nghiên cứu đa ra các bài toán
về tứ diện có liên quan đến các tính chất của tam giác Trong đề tài này tôi đã giải quyết đợc 6 bài toán về tứ diện
Trong quá trình làm đề tài bản thân tôi đã thu đợc nhiều điều bổ ích
Đầu tiên là những kiến thức về hình không gian, giúp tôi hiểu sâu hơn, tự tin hơn trớc hình không gian Bên cạnh đó từ nghiên cứu làm đề tài tôi đã hiểu
10
Trang 11thêm về phơng pháp nghiên cứu khoa học và làm thế nào để làm việc cũng nh nghiên cứu khoa học đợc tốt nhất
Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong tổ khoa học tự nhiên nhà trờng, Ban giám hiệu nhà trờng đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài
Dù đã cố gắng tốt nhất nhng đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót
Rất mong đợc sự góp ý của đồng nghiệp./
Tài liệu tham khảo
Hình học 7 - NXB Giáo dục năm 2001
Hình học 8 - NXB Giáo dục năm 2001
Hình học 9 - NXB Giáo dục năm 2001
Hình học 11 - NXB Giáo dục năm 2001
Giải toán hình học 11 - Trần Thành Minh (NXB giáo dục 2000)
Nâng cao hình học 11 Phạm Khắc Ban - NXBGD năm 2001
Các chuyên đề toán PT hình học 11
Nguyễn Danh Phan - NXB giáo dục năm 1999
Tuyển tập 100 bài toán hình không gian chọn lọc-Nguyễn Đức Đông 2001
Tuyển tập 340 bài toán hình học không gian
IF.AHANY GIN - Hoàng Hữu Nh dịch - NXB - TPHCM năm 1998
Trang 12phßng gi¸o dôc huyÖn Nga S¬n
Trêng THCS nga lÜnh
- -§Ò tµi
ph¸t biÓu më réng mét sè tÝnh chÊt cña tam gi¸c trong
h×nh häc ph¼ng cho tø diÖn trong kh«ng gian
Ngêi thùc hiÖn: Mai Thanh HuÖ
§¬n vÞ: Trêng THCS nga LÜnh
N¨m häc: 2004 - 2005
************