Bài 5 trang 26 sách giáo khoa Hình học lớp 12

Đề bài

Cho tam giác \(ABC\) vuông cân ở \(A\) và \(AB = a\). Trên đường thẳng qua \(C\) và vuông góc với mặt phẳng \((ABC)\) lấy điểm \(D\) sao cho \(CD = a\). Mặt phẳng qua \(C\) vuông góc với \(BD\), cắt \(BD\) tại \(F\) và cắt \(AD\) tại \(E\). Tính thể tích khối tứ diện \(CDEF\) theo \(a\).

Phương pháp giải - Xem chi tiết

+) Dựng các điểm F và E.

+) Chứng minh tam giác CEF vuông tại E \( \Rightarrow {S_{CEF}} = \dfrac{1}{2}EF.EC\)

+) \({V_{CDEF}} = \dfrac{1}{3}DF.{S_{CEF}} \) \(= \dfrac{1}{3}DF.\dfrac{1}{2}EF.EC \) \(= \dfrac{1}{6}DF.EF.EC\)

+) Sử dụng định lí Pitago và các hệ thức lượng trong tam giác vuông tính CE, EF và DF.

Lời giải chi tiết

\(\left.\begin{matrix} BA \perp CD& \\ BA \perp CA& \end{matrix}\right\}\)\( \Rightarrow BA\bot (ADC)\) \(\Rightarrow BA \bot CE\)

Mặt khác \(BD \bot (CEF) \Rightarrow BD \bot CE\).

Từ đó suy ra

\(CE \bot (ABD) \Rightarrow CE ⊥ EF, CE \bot AD\).

Vì tam giác \(ACD\) vuông cân, \(AC= CD= a\) nên \(AD = \sqrt {A{C^2} + C{D^2}}  \) \(= \sqrt {{a^2} + {a^2}}  = a\sqrt 2 \)

Suy ra \(CE=\dfrac{AD}{2}=\dfrac{a\sqrt{2}}{2}\)

Ta có \(BC = \sqrt {A{B^2} + A{C^2}}  \) \(= \sqrt {{a^2} + {a^2}}  = a\sqrt 2 \),

\(BD  = \sqrt {B{C^2} + C{D^2}} \) \(= \sqrt{2a^{2}+a^{2}}=a\sqrt{3}\)

Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông \(BCD\) ta có: \(CF\cdot BD = DC\cdot BC\) nên \(CF = \frac{{DC.BC}}{{BC}} = \frac{{a.a\sqrt 2 }}{{a\sqrt 3 }} = \frac{{a\sqrt 2 }}{{\sqrt 3 }}\)

Từ đó suy ra 

\(EF= \sqrt{CF^{2}-CE^{2}}\) \(=\sqrt{\dfrac{2}{3}a^{2}-\dfrac{a^{2}}{2}}=\dfrac{\sqrt{6}}{6}a\)

\(DF=\sqrt{DC^{2}-CF^{2}}\) \(=\sqrt{a^{2}-\dfrac{2}{3}a^{2}}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}a\)

Từ đó suy ra \(S_{\Delta CEF}=\dfrac{1}{2}FE\cdot EC\) \(=\dfrac{1}{2}\dfrac{a\sqrt{6}}{6}\cdot \dfrac{a\sqrt{2}}{2}=\dfrac{a^{2}\sqrt{3}}{12}\)

Vậy \(V_{D.CEF}=\dfrac{1}{3}S_{\Delta CEF}\cdot DF\) \(=\dfrac{1}{3}\cdot \dfrac{a^{2}\sqrt{3}}{12}\cdot \dfrac{a\sqrt{3}}{3}=\dfrac{a^{3}}{36}.\)