Teorie · D2 Geometrie · clasa a VIII-a

Perpendicularitate în spațiu în clasa a VIII-a: dreaptă perpendiculară pe plan, proiecții, teorema celor trei perpendiculare

Ce aduce clasa a VIII-a după perpendicularele din plan: dreapta perpendiculară pe un plan, planele perpendiculare și secțiunea diagonală, proiecția unui segment și lungimea ei, teorema celor trei perpendiculare și distanța de la un punct la o dreaptă sau la un plan, cu exerciții de Evaluare Națională.

De unde vine

Constructorii au avut nevoie de perpendiculara pe un plan cu mult înainte de a o defini cineva. Firul cu plumb — o greutate atârnată de o sfoară — este folosit cel puțin din vremea Egiptului antic ca să verifice că o construcție este verticală. Sfoara întinsă de greutate dă o dreaptă perpendiculară pe planul orizontal.

Pentru orizontală a apărut mult mai târziu o unealtă precisă: nivela cu bulă de aer, inventată de francezul Melchisédech Thévenot cândva înainte de 2 februarie 1661. În anul următor, Thévenot le-a descris invenția altor oameni de știință, printre care Robert Hooke la Londra și Vincenzo Viviani la Florența.

Cele două unelte se completează exact ca în teorie: nivela arată că o dreaptă este orizontală; pusă pe o suprafață în două direcții diferite (două drepte concurente), arată că toată suprafața este orizontală, adică perpendiculară pe firul cu plumb.

La ce folosește

Un stâlp vertical înalt de $8$ m este ancorat cu trei cabluri prinse în vârful lui și fixate în pământ la câte $6$ m de baza stâlpului. Stâlpul este perpendicular pe sol, deci fiecare cablu este ipotenuza unui triunghi dreptunghic: $\sqrt{8^2+6^2}=10$ m. Cablurile au aceeași lungime pentru că proiecțiile lor pe sol sunt egale — oblicele cu proiecții egale sunt egale.

Balamalele unei uși stau pe o dreaptă perpendiculară pe podea. De aceea ușa, în orice poziție ar fi, este un plan perpendicular pe podea: un plan care conține o dreaptă perpendiculară pe alt plan este perpendicular pe el. Dacă balamalele sunt montate strâmb, ușa se deschide singură sau se freacă de podea.

De bază

Din clasa a VI-a știi ce sunt dreptele perpendiculare în plan, iar din clasa a VII-a știi proiecția unui punct pe o dreaptă. În clasa a VIII-a o dreaptă poate fi perpendiculară pe un plan întreg: $d\perp\alpha$ dacă $d$ este perpendiculară pe două drepte concurente din $\alpha$. Atunci ea este perpendiculară pe orice dreaptă din $\alpha$.

Un plan care conține o dreaptă perpendiculară pe alt plan este perpendicular pe acel plan. Proiecția unui punct pe un plan este piciorul perpendicularei din punct pe plan; proiecția unui segment se află proiectând capetele. Proiecția unei drepte pe un plan este dreapta care trece prin proiecțiile a două puncte ale ei; dacă dreapta este perpendiculară pe plan, proiecția ei este un singur punct, piciorul perpendicularei. Dacă segmentul are lungimea $l$ și face cu planul unghiul $u$, proiecția lui are $l\cos u$.

Secțiunile diagonale. Într-un paralelipiped dreptunghic sau într-un cub, secțiunea diagonală este făcută de planul a două muchii laterale care nu sunt pe aceeași față, de exemplu $AA'$ și $CC'$: este dreptunghiul $ACC'A'$, cu laturile diagonala bazei și muchia laterală; la cubul cu muchia $l$ are laturile $l$ și $l\sqrt{2}$. Într-o piramidă patrulateră regulată $VABCD$, secțiunea diagonală este făcută de planul vârfului și al unei diagonale a bazei: triunghiul isoscel $VAC$, a cărui înălțime este chiar înălțimea piramidei, $VO$. Ambele conțin o dreaptă perpendiculară pe bază, deci planele lor sunt perpendiculare pe planul bazei.

Exemplu: paralelipipedul dreptunghic $ABCDA'B'C'D'$ are $AB=8$ cm, $BC=6$ cm și $AA'=5$ cm. Proiecția lui $C'$ pe planul $(ABC)$ este $C$, deci proiecția diagonalei $AC'$ pe bază este $AC=\sqrt{64+36}=10$ cm, mai scurtă decât $AC'=\sqrt{100+25}=5\sqrt{5}$ cm. Secțiunea diagonală $ACC'A'$ conține muchia $AA'\perp(ABC)$, deci planul $(ACC')$ este perpendicular pe planul bazei.

Exemplul 2: un segment de $10$ cm face cu un plan un unghi de $60^\circ$. Proiecția lui pe plan are $10\cdot\cos 60^\circ=10\cdot\frac{1}{2}=5$ cm.

Exemplul 3: piramida patrulateră regulată $VABCD$ are latura bazei de $6\sqrt{2}$ cm și muchia laterală $VA=10$ cm. Diagonala bazei este $AC=6\sqrt{2}\cdot\sqrt{2}=12$ cm, deci $AO=6$ cm, iar în triunghiul dreptunghic $VOA$ înălțimea este $VO=\sqrt{100-36}=8$ cm. Secțiunea diagonală $VAC$ are baza de $12$ cm și înălțimea de $8$ cm, deci aria $\frac{12\cdot 8}{2}=48$ cm$^2$.

Mediu

Teorema celor trei perpendiculare: dacă $PA\perp\alpha$ și $AM\perp d$, unde $d$ este o dreaptă din $\alpha$ și $M\in d$, atunci $PM\perp d$, iar distanța de la $P$ la $d$ este $PM=\sqrt{PA^2+AM^2}$. Totul depinde de alegerea lui $M$ în plan: el este piciorul perpendicularei din $A$, aflat cu geometria plană din clasa a VII-a.

Exemplu: triunghiul echilateral $ABC$ are latura de $6$ cm, iar $PA\perp(ABC)$, cu $PA=3$ cm. Aflăm distanța de la $P$ la dreapta $BC$. În triunghiul echilateral, mediana $AM$ este și înălțime, deci $AM\perp BC$ și $AM=\frac{6\sqrt{3}}{2}=3\sqrt{3}$ cm. Din teorema celor trei perpendiculare, $PM\perp BC$, iar $PM=\sqrt{9+27}=\sqrt{36}=6$ cm.

Exemplul 2: dreptunghiul $ABCD$ are $AD=12$ cm, iar $PA\perp(ABCD)$, cu $PA=5$ cm. Distanța de la $P$ la dreapta $CD$: aici nu mai trebuie căutat piciorul, pentru că $AD\perp CD$ chiar din dreptunghi. Deci $PD\perp CD$, iar distanța este $PD=\sqrt{25+144}=13$ cm.

Reciproca teoremei celor trei perpendiculare: dacă $PA\perp\alpha$ și $PM\perp d$, unde $d$ este o dreaptă din $\alpha$ și $M\in d$, atunci $AM\perp d$. Se folosește mai ales la unghiul diedru: dacă știi o perpendiculară pe muchia diedrului în planul oblic, reciproca îți dă perpendiculara din planul de bază, iar unghiul dintre ele este unghiul plan al diedrului.

Exemplul 3: piramida patrulateră regulată $VABCD$ are latura bazei de $6$ cm și înălțimea $VO=3\sqrt{3}$ cm, iar $M$ este mijlocul lui $BC$. Fața $VBC$ este un triunghi isoscel, deci mediana $VM$ este și înălțime: $VM\perp BC$. Cum $VO\perp(ABC)$ și $VM\perp BC$, reciproca dă $OM\perp BC$, deci unghiul plan al diedrului dintre fața $(VBC)$ și bază este $\sphericalangle VMO$. Cu $OM=3$ cm, $\operatorname{tg}\sphericalangle VMO=\frac{3\sqrt{3}}{3}=\sqrt{3}$, deci unghiul are $60^\circ$.

Cum recunoști problema la examen: „distanța de la $P$ la dreapta ...” și o perpendiculară pe plan dată în enunț. Scrie cele trei perpendiculare în ordine: pe plan, în plan, și concluzia.

Avansat

La Subiectul al III-lea, perpendicularitatea se cere de obicei în doi pași: a) o dreaptă perpendiculară pe alta, arătată printr-un plan; b) o distanță de la un punct la un plan.

Ideea — dacă o dreaptă din plan este perpendiculară pe un plan întreg, poți coborî perpendiculara pe planul oblic într-un triunghi dreptunghic ales de tine.

Exemplu: pătratul $ABCD$ are latura de $6$ cm, iar $PA\perp(ABCD)$, cu $PA=6$ cm.

a) Arătăm că $BD\perp PC$. Diagonalele pătratului sunt perpendiculare: $BD\perp AC$. Cum $PA$ este perpendiculară pe planul pătratului, $BD\perp PA$. Dreptele $AC$ și $PA$ sunt concurente, deci $BD\perp(PAC)$ și, de aici, $BD$ este perpendiculară pe orice dreaptă din planul $(PAC)$, inclusiv pe $PC$.

b) Aflăm distanța de la $A$ la planul $(PBC)$. $BC\perp AB$ (pătrat) și $BC\perp PA$, deci $BC\perp(PAB)$. Ducem în triunghiul $PAB$ înălțimea $AE\perp PB$. Atunci $AE\perp PB$ și $AE\perp BC$ (pentru că $BC$ e perpendiculară pe tot planul $(PAB)$), deci $AE\perp(PBC)$ și distanța cerută este $AE$. Triunghiul $PAB$ este dreptunghic isoscel, cu $PB=6\sqrt{2}$ cm, deci $AE=\frac{PA\cdot AB}{PB}=\frac{36}{6\sqrt{2}}=3\sqrt{2}$ cm.

Figură pentru avansat

Greșeli frecvente

O singură perpendiculară nu ajunge. Dacă $d$ este perpendiculară pe o singură dreaptă din plan, sau pe două drepte paralele, nu rezultă $d\perp\alpha$; trebuie două drepte CONCURENTE.

„Două plane perpendiculare pe același plan sunt paralele” — fals. În cub, $(ABB')$ și $(ADD')$ sunt amândouă perpendiculare pe bază, dar se taie după muchia $AA'$.

Proiecția nu este întotdeauna mai scurtă. Un segment paralel cu planul are proiecția egală cu el: $A'B'$ se proiectează pe bază în $AB$, cu aceeași lungime.

Piciorul greșit în teorema celor trei perpendiculare. În triunghiul echilateral, distanța de la $P$ la $BC$ se calculează cu $AM$, înălțimea pe $BC$, nu cu $AB$ sau cu latura întreagă; altfel obții o lungime, nu distanța.

Distanța la un plan luată ca distanță la o dreaptă din plan. Distanța de la $A$ la planul $(PBC)$ este $AE=3\sqrt{2}$ cm, nu $AB=6$ cm: $AB$ este perpendiculară pe $BC$, dar nu și pe planul $(PBC)$.

Formula proiecției cu sinus în loc de cosinus: un segment de $10$ cm înclinat la $60^\circ$ are proiecția de $5$ cm, nu $5\sqrt{3}$ cm.

Surse pentru partea istorică

  • Firul cu plumb este folosit cel puțin din vremea Egiptului antic ca să verifice că o construcție este verticală; dă direcția verticală ca dreaptă de referință — en.wikipedia.org
  • Melchisédech Thévenot a inventat nivela cu bulă cândva înainte de 2 februarie 1661 și a descris-o în anul următor lui Robert Hooke la Londra și lui Vincenzo Viviani la Florența — en.wikipedia.org

Text generat cu ajutorul unui model AI și verificat înainte de publicare.

Toate temele · Simulări

Exersează tema

O fișă cu 6 probleme pe această temă, de la ușor la greu, fără limită de timp. La final vezi rezolvările și la ce nivel te-ai oprit.

Toate fișele, pe clase

An unhandled error has occurred. Reload 🗙

Rejoining the server...

Rejoin failed... trying again in seconds.

Failed to rejoin.
Please retry or reload the page.

The session has been paused by the server.

Failed to resume the session.
Please retry or reload the page.