Расстояние от точки до плоскости
Содержание
Расстояние от точки до плоскости
Поиск расстояния от точки до плоскости (задание 15) - один из самых частых и понятных сюжетов стереометрии на ЕГЭ. В отличие от задач на углы между плоскостями или поиск сечений, здесь тебе редко придётся строить сложные дополнительные линии и пытаться «увидеть» трёхмерную картинку.
Существуют мощные аналитические инструменты, которые сводят задачу к формулам и базовым вычислениям.
Основные формулы и методы
Существуют три основных метода нахождения этого расстояния. Первый - классический метод перпендикуляра (построить основание перпендикуляра, доказать перпендикулярность через теорему о трёх перпендикулярах, вычислить длину через теорему Пифагора). Он работает, когда в фигуре есть удобная плоскость симметрии, но на ЕГЭ часто бывает громоздким. Гораздо эффективнее два других.
Алгоритм решения: как выбрать метод?
Примеры решения
Разберём применение двух главных методов на конкретных задачах.
В кубе с ребром проведена плоскость . а) Докажите, что диагональ перпендикулярна плоскости . б) Найдите расстояние от вершины до плоскости .
Доказываем перпендикулярность (пункт а)
- Прямая перпендикулярна плоскости, если она перпендикулярна двум пересекающимся прямым в этой плоскости. Докажем, что и .
- Спроецируй диагональ на нижнее основание . Это диагональ квадрата . Диагонали квадрата перпендикулярны, то есть . По теореме о трёх перпендикулярах, так как проекция перпендикулярна , то и сама наклонная .
- Аналогично, спроецируем на переднюю грань . Проекцией будет диагональ (точка проецируется в ). Диагонали квадрата перпендикулярны: . По теореме о трёх перпендикулярах наклонная .
- Так как прямая перпендикулярна двум пересекающимся прямым плоскости , она перпендикулярна самой плоскости. Ч.т.д.
Строим вспомогательную пирамиду (пункт б)
Используем метод объёмов. Возьми треугольную пирамиду (тетраэдр), вершинами которой являются точки .
Вычисляем объём пирамиды
Вычисли объём, взяв за основание треугольник . Это прямоугольный равнобедренный треугольник, так как - квадрат.
Высота пирамиды, опущенная из вершины на плоскость основания , совпадает с боковым ребром куба .
Находим площадь сечения
Теперь посмотрим на ту же пирамиду, но примем за основание плоскость . Искомое расстояние от точки до этой плоскости - это в точности высота нашей пирамиды. Треугольник - равносторонний, так как все его стороны являются диагоналями граней куба: . Площадь правильного треугольника вычисляется по формуле :
Находим высоту через объём
Ответ: б)
В прямоугольном параллелепипеде известны длины рёбер: . На ребре отмечена точка так, что . На ребре отмечена точка так, что . а) Докажите, что плоскость проходит через точку на ребре , для которой . б) Найдите расстояние от точки до плоскости .
Вводим систему координат (пункт а)
Введём прямоугольную систему координат с началом в точке . Ось направим вдоль ребра , ось - вдоль , ось - вдоль . Длины рёбер: , , .
Выпишем координаты нужных точек:
- лежит на , значит . Высота . Координаты: .
- лежит на , значит . Высота . Координаты: .
- лежит на , значит . По условию . Координаты: .
Составляем уравнение плоскости
Составим уравнение плоскости вида . Так как плоскость проходит через начало координат , коэффициент . Уравнение принимает вид . Подставим координаты и :
Из первого уравнения: . Из второго уравнения: . Пусть (можно взять любое число, кроме нуля). Тогда и . Уравнение плоскости :
Проверяем принадлежность точки P
Проверим, принадлежит ли точка этой плоскости. Подставим её координаты в уравнение:
Получили верное тождество . Значит, точка действительно лежит в плоскости . Ч.т.д.
Применяем формулу расстояния (пункт б)
Нужно найти расстояние от точки до плоскости .
Координаты точки : (сдвиг по ), (сдвиг по ), (полная высота). .
Применяем формулу расстояния:
Ответ: б)
Частые ошибки
Что запомнить
- Метод объёмов - чемпион для пирамид и тетраэдров. Найди объём через любую удобную грань, потом подели на площадь нужной грани и умножь на .
- Координатный метод - спаситель для кубов, прямоугольных параллелепипедов и правильных призм. Придётся решить простую систему из двух-трёх линейных уравнений, зато не нужно включать пространственное воображение.
- Для метода объёмов аккуратно считай площадь сечения: часто это треугольник, все три стороны которого находятся по теореме Пифагора из граней исходной фигуры. Если сечение оказалось равносторонним, применяй .
Стратегия на экзамене
За что дают баллы
В задании 15 можно заработать от 0 до 3 баллов:
- 3 балла (Максимум): Обоснованно и безупречно получен верный ответ в обоих пунктах. Все теоремы названы, вычисления без ошибок.
- 2 балла: Идеально решён один пункт (а или б), а во втором допущена обидная вычислительная ошибка (например, ошибка в сложении дробей), но логика решения второго пункта абсолютно верна. Либо полностью решены оба пункта, но в одном есть арифметическая ошибка.
- 1 балл: Идеально выполнен только пункт «а» (доказательство). Либо абсолютно верно выполнен только пункт «б» (например, с использованием недоказанного утверждения из пункта «а»).
- 0 баллов: Решение не содержит математически верных продвижений или логика в корне неверна.
- Чему равно расстояние от вершины тетраэдра до плоскости основания, если известны его объём и площадь основания ?
- По какой формуле вычисляется расстояние от точки до плоскости ?
- В кубе с ребром сечение — равносторонний треугольник. Чему равна его сторона?
- Куда должен падать перпендикуляр из точки на плоскость, чтобы работал метод объёмов?