Các bài toán về mặt cầu và mặt phẳng

Câu 1 Trắc nghiệm

Cho mặt cầu (S):(x1)2+(y2)2+z2=9 và mặt phẳng (Q):xy+z1=0. Hai điểm MN lần lượt di động trên mặt cầu (S) và mặt phẳng (Q). Xác định vector MN khi MN đạt giá trị lớn nhất và vuông góc với mặt phẳng (Q).

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: d
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: d
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: d

Mặt cầu (S) có tâm là I(1;2;0) và bán kính là R=3 d(I,(Q))=23<R

Mặt cầu (S) cắt (Q) và tâm I không thuộc mặt phẳng (Q).

Ta có hình vẽ minh họa như sau:

Vẽ hình, ta xác định được độ dài MN lớn nhất đồng thời vuông góc với mặt phẳng (Q) như hình vẽ trên.

I,M,N thẳng hàng.

Khi đó, MN:{u=n(Q)=(1;1;1)I(1;2;0)MN MN:x11=y21=z1.

{M(1+t;2t;t)(S)N(1+u;2u;u)(Q)

{(1+t1)2+(2t2)2+t2=91+u(2u)+u1=0

{[t=3t=3u=23[{N(53;43;23)M1(1+3;23;3){N(53;43;23)M2(13;2+3;3)[M1N(233;323;233)M2N(23+3;323;23+3)

Dễ dàng kiểm tra được M2N>M1N

MN=M2N=(23+3;323;23+3)

Câu 2 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, cho mặt cầu (S):x2+y2+z22ax2by2cz+d=0, với a,b,c đều là các số thực dương. Biết mặt cầu (S) cắt 3 mặt phẳng tọa độ (Oxy),(Oxz),(Oyz) theo các giao tuyến là các đường tròn có bán kính bằng 13 và mặt cầu (S) đi qua M(2;0;1). Tính a+b+c

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: d
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: d
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: d

(S):x2+y2+z22ax2by2cz+d=0 có tâm I(a;b;c),(a,b,c>0),R=a2+b2+c2d,(a2+b2+c2>d)

M(2;0;1)(S)22+02+122a.22b.02c.1+d=04a+2cd=5d=4a+2c5

Khi đó: R=a2+b2+c2d=a2+b2+c24a2c+5

r21=R2d2(I;(Oxy))=a2+b2+c24a2c+5c2

a2+b24a2c+5=13

(S) cắt 3 mặt phẳng tọa độ (Oxy),(Oxz),(Oyz) theo các giao tuyến là các đường tròn có bán kính bằng 13 a2+b2=b2+c2=c2+a2=13a2=b2=c2a=b=c>0a2+b24a2c+5=132a26a8=0[a=4a=1(ktm)a=b=c=4a+b+c=12.  

Câu 3 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm I(1;2;3). Phương trình mặt cầu tâm I và tiếp xúc với trục Oy là:   

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

Gọi E là hình chiếu của I trên Oy E(0;2;0)

Suy ra bán kính mặt cầu tâm I và tiếp xúc với trục Oy là: R=IE=(10)2+(2+2)2+(30)2=10

Vậy phương trình mặt cầu tâm I và tiếp xúc với trục Oy là:(x1)2+(y+2)2+(z3)2=10.

Câu 4 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, viết phương trình mặt phẳng tiếp xúc với (S):x2+y2+z22x4y6z2=0 và song song với (α):4x+3y12z+10=0.

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: d
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: d
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: d

Gọi mặt phẳng (P) là mặt phẳng cần tìm.(P)//(α) Phương trình mặt phẳng (P) có dạng 4x+3y12z+D=0(D10)

Mặt cầu (S) có tâm I(1;2;3), bán kính R=4.

(P) tiếp xúc với (S)d(I;(P))=R|4.1+3.212.3+D|42+32+(12)2=4|D26|=52[D=78D=26

Vậy mặt phẳng (P) thỏa mãn yêu cầu bài toán có phương trình  [4x+3y12z26=04x+3y12z+78=0

Câu 5 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right):{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}-2x-2y+4z-1=0 và mặt phẳng \left( P \right):x+y-z-m=0. Tìm tất cả m để \left( P \right) cắt \left( S \right) theo giao tuyến là một đường tròn có bán kính lớn nhất.

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: c
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: c
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: c

Mặt cầu (S) có tâm I\left( 1;1;-2 \right) và bán kính R=\sqrt{7}.

Để mặt phẳng (P) cắt (S) theo giao tuyến là đường tròn có bán kính lớn nhất thì d\left( I;\left( P \right) \right) nhỏ nhất.

Ta có d\left( I;\left( P \right) \right)=\frac{\left| 1+1-\left( -2 \right)-m \right|}{\sqrt{3}}=\frac{\left| 4-m \right|}{\sqrt{3}}

\Rightarrow d{{\left( I;\left( P \right) \right)}_{\min }}=0\Leftrightarrow m=4

Câu 6 Trắc nghiệm

Trong không gian tọa độ Oxyz, mặt cầu \left( S \right):\,\,{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}-2x-4y-20=0 và mặt phẳng \left( \alpha  \right):\,\,x+2y-2z+7=0 cắt nhau theo một đường tròn có chu vi bằng:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

Mặt cầu (S) có tâm I\left( 1;2;0 \right), bán kính R = 5.

d\left( I;\left( \alpha  \right) \right)=\frac{\left| 1+2.2+7 \right|}{\sqrt{1+4+4}}=4=d.

Do đó mặt phẳng \left( \alpha  \right):\,\,x+2y-2z+7=0 cắt nhau theo một đường tròn (C) có bán kính r=\sqrt{{{R}^{2}}-{{d}^{2}}}=3.

Vậy chu vi đường tròn (C) bằng 2\pi r=6\pi .

Câu 7 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right):\,\,{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}+2x-4y-6z+m-3=0. Tìm số thực m để \left( \beta  \right):\,\,2x-y+2z-8=0 cắt \left( S \right) theo một đường tròn có chu vi bằng 8\pi .

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

Mặt phẳng \left( \beta  \right) cắt mặt cầu \left( S \right) theo đường tròn có bán kính r=\frac{8\pi }{2\pi }=4.

Mặt cầu \left( S \right) có tâm I\left( -1;2;3 \right), bán kính R=\sqrt{17-m}.

Ta có d\left( I;\left( \beta  \right) \right)=\frac{\left| -2-2+6-8 \right|}{\sqrt{4+1+4}}=2=d

Áp dụng định lí Pytago ta có {{R}^{2}}={{r}^{2}}+{{d}^{2}}={{2}^{2}}+{{4}^{2}}=20\Leftrightarrow 17-m=20\Leftrightarrow m=-3.

Câu 8 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right):{{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{\left( y-2 \right)}^{2}}+{{\left( z-2 \right)}^{2}}=9 và mặt phẳng \left( P \right):2x-y-2z+1=0. Biết \left( P \right) cắt \left( S \right) theo giao tuyến là đường tròn có bán kính r. Tính r. 

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: b
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: b
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: b

Xét mặt cầu \left( S \right):{{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{\left( y-2 \right)}^{2}}+{{\left( z-2 \right)}^{2}}=9 có tâm I\left( 1;2;2 \right), bán kính R=3.

Khoảng cách từ tâm I\,\,\xrightarrow{{}}\,\,mp\,\,\left( P \right)d\left( I;\left( P \right) \right)=\frac{\left| 2.1-1.2-2.2+1 \right|}{\sqrt{{{2}^{2}}+{{\left( -\,1 \right)}^{2}}+{{2}^{2}}}}=1.

Vậy bán kính đường tròn giao tuyến là r=\sqrt{{{R}^{2}}-{{d}^{2}}\left( I;\left( P \right) \right)}=2\sqrt{2}.

Câu 9 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right):\,\,\,{x^2} + {y^2} + {z^2} - 2x - 4y - 4z = 0. Mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu \left( S \right) tại A\left( {3;4;3} \right) có phương trình là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

Mặt cầu \left( S \right):\,\,\,{x^2} + {y^2} + {z^2} - 2x - 4y - 4z = 0 có tâm I\left( {1;2;2} \right), bán kính R = \sqrt {{1^2} + {2^2} + {3^2} - 0}  = \sqrt {14} .

Gọi \left( P \right) là mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu \left( S \right) tại A\left( {3;4;3} \right), khi đó ta có IA \bot \left( P \right) nên \left( P \right) nhận \overrightarrow {IA}  = \left( {2;2;1} \right) là 1 VTPT.

Vậy phương trình mặt phẳng \left( P \right) đi qua A\left( {3;4;3} \right) và có 1 VTPT \overrightarrow {IA}  = \left( {2;2;1} \right) là:

2\left( {x - 3} \right) + 2\left( {y - 4} \right) + 1\left( {z - 3} \right) = 0 \Leftrightarrow 2x + 2y + z - 17 = 0.

Câu 10 Trắc nghiệm

Một quả cầu (S) có tâm I\left( -1;2;1 \right) và tiếp xúc với mặt phẳng \left( P \right):\,\,x-2y-2z-2=0 có phương trình là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: d
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: d
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: d

Ta có d\left( I;\left( P \right) \right)=\frac{\left| -1-2.2-2.1-2 \right|}{\sqrt{1+4+4}}=3=R.

Vậy phương trình mặt cầu là: \left( S \right):\,\,{{\left( x+1 \right)}^{2}}+{{\left( y-2 \right)}^{2}}+{{\left( z-1 \right)}^{2}}=9

Câu 11 Trắc nghiệm

 Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A\left( 1;-\,2;3 \right). Gọi \left( S \right) là mặt cầu chứa A, có tâm I thuộc tia Ox và bán kính 7. Phương trình mặt cầu \left( S \right)

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: c
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: c
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: c

I thuộc tia Ox\Rightarrow I\left( a;0;0 \right)\,\,\,\,\left( a>0 \right)\Rightarrow \overrightarrow{AI}=\left( a-1;2;-\,3 \right)\Rightarrow \,\,IA=\sqrt{{{\left( a-1 \right)}^{2}}+13}.

A thuộc mặt cầu \left( S \right)\Rightarrow \,\,R=IA\Leftrightarrow I{{A}^{2}}=49\Leftrightarrow \,\,{{\left( a-1 \right)}^{2}}=36\Leftrightarrow \,\,a=7.

Vậy phương trình mặt cầu \left( S \right){{\left( x-7 \right)}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}=49.

Câu 12 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho ba điểm A\left( a;0;0 \right),\,\,B\left( 0;b;0 \right),\,\,C\left( 0;0;c \right) với a,b,c>0. Biết rằng \left( ABC \right) đi qua điểm M\left( \frac{1}{7};\frac{2}{7};\frac{3}{7} \right) và tiếp xúc với mặt cầu \left( S \right):\,\,{{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{\left( y-2 \right)}^{2}}+{{\left( z-3 \right)}^{2}}=\frac{72}{7} . Tính \frac{1}{{{a}^{2}}}+\frac{1}{{{b}^{2}}}+\frac{1}{{{c}^{2}}}

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

\left( ABC \right):\frac{x}{a}+\frac{y}{b}+\frac{z}{c}=1 \begin{align}  M\left( \frac{1}{7};\frac{2}{7};\frac{3}{7} \right)\in \left( ABC \right)\Rightarrow \frac{1}{7a}+\frac{2}{7b}+\frac{3}{7c}=1\Leftrightarrow \frac{1}{a}+\frac{2}{b}+\frac{3}{c}=7 \\ \end{align}

\left( ABC \right) tiếp xúc với mặt cầu \left( S \right) có tâm I\left( 1;2;3 \right) và bán kính R=\sqrt{\frac{72}{7}}  

\begin{align}  \Rightarrow d\left( I;\left( ABC \right) \right)=R\Leftrightarrow \frac{\left| \frac{1}{a}+\frac{2}{b}+\frac{3}{c}-1 \right|}{\sqrt{\frac{1}{{{a}^{2}}}+\frac{1}{{{b}^{2}}}+\frac{1}{{{c}^{2}}}}}=\sqrt{\frac{72}{7}} \\  \Leftrightarrow \frac{6}{\sqrt{\frac{1}{{{a}^{2}}}+\frac{1}{{{b}^{2}}}+\frac{1}{{{c}^{2}}}}}=\sqrt{\frac{72}{7}}\Rightarrow \sqrt{\frac{1}{{{a}^{2}}}+\frac{1}{{{b}^{2}}}+\frac{1}{{{c}^{2}}}}=\frac{\sqrt{14}}{2} \\ \end{align}

\Rightarrow \frac{1}{{{a}^{2}}}+\frac{1}{{{b}^{2}}}+\frac{1}{{{c}^{2}}}=\frac{7}{2}

Câu 13 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, mặt cầu tâm I\left( 1;\ 2;\ -1 \right) và cắt mặt phẳng \left( P \right):\ 2x-y+2z-1=0  theo một đường tròn bán kính bằng \sqrt{8} có phương trình là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: c
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: c
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: c

Theo đề bài ta có: r=\sqrt{8}.

OI=d\left( I;\ \left( P \right) \right)=\frac{\left| 2.1-2+2.\left( -1 \right)-1 \right|}{\sqrt{{{2}^{2}}+{{1}^{2}}+{{2}^{2}}}}=\frac{\left| -3 \right|}{\sqrt{9}}=1.

Khi đó ta có: R=\sqrt{O{{I}^{2}}+{{r}^{2}}}=\sqrt{1+8}=3.

Ta có phương trình mặt cầu cần tìm là: {{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{\left( y-2 \right)}^{2}}+{{\left( z+1 \right)}^{2}}=9.

Câu 14 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right) có phương trình {\left( {x - 1} \right)^2} + {\left( {y + 2} \right)^2} + {\left( {z - 3} \right)^2} = 25. Mặt phẳng \left( P \right) tiếp xúc với mặt cầu \left( S \right) tại điểm H\left( {4;\,\,2;\,\,3} \right) có phương trình là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: d
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: d
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: d

Mặt cầu \left( S \right):\,\,\,{\left( {x - 1} \right)^2} + {\left( {y + 2} \right)^2} + {\left( {z - 3} \right)^2} = 25 có tâm I\left( {1; - 2;\,\,3} \right) và bán kính R = 5.

Ta có: \overrightarrow {IH}  = \left( {3;\,\,4;\,\,0} \right).

Phương trình mặt phẳng \left( P \right) cần tìm đi qua H\left( {4;\,\,2;\,\,3} \right) và tiếp xúc với mặt cầu \left( S \right) nhận \overrightarrow {IH} làm VTPT.

\Rightarrow \left( P \right):\,\,\,3\left( {x - 4} \right) + 4\left( {y - 2} \right) = 0 \Leftrightarrow 3x + 4y - 20 = 0.

Câu 15 Trắc nghiệm

Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, phương trình nào dưới đây là phương trình mặt cầu có tâm I(1;2;-1) và tiếp xúc với (P):x-2y-2z-8=0?

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: b
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: b
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: b

d\left( I;\left( P \right) \right)=\frac{\left| 1-2.2-2.(-1)-8 \right|}{\sqrt{{{1}^{2}}+{{2}^{2}}+{{2}^{2}}}}=3

(P):x-2y-2z-8=0 tiếp xúc với mặt cầu \Leftrightarrow R=d\left( I;\left( \alpha  \right) \right)=3

\Rightarrow Phương trình mặt cầu đó là:  {{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{(y-2)}^{2}}+{{(z+1)}^{2}}=9

Câu 16 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, mặt cầu \left( S \right) có tâm I\left( { - 2;\,\,5;\,\,1} \right) và tiếp xúc với mặt phẳng \left( P \right):\,\,\,2x + 2y - z + 7 = 0 có phương trình là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

Ta có: I\left( { - 2;\,\,5;\,\,1} \right)\left( P \right):\,\,\,2x + 2y - z + 7 = 0

Mặt cầu \left( S \right) tiếp xúc với mặt phẳng \left( P \right) \Leftrightarrow d\left( {I;\,\,\left( P \right)} \right) = R.

\Leftrightarrow R = \dfrac{{\left| {2.\left( { - 2} \right) + 2.5 - 1 + 7} \right|}}{{\sqrt {{2^2} + {2^2} + {{\left( { - 1} \right)}^2}} }} = \dfrac{{12}}{3} = 4.

\Rightarrow Phương trình mặt cầu \left( S \right) cần tìm là: {\left( {x + 2} \right)^2} + {\left( {y - 5} \right)^2} + {\left( {z - 1} \right)^2} = 16.

Câu 17 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz cho I(2;1;1) và mặt phẳng (P): 2x + y + 2z – 1 = 0. Mặt cầu (S) có tâm I cắt (P) theo một đường tròn có bán kính r = 4. Phương trình của mặt cầu (S) là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: c
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: c
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: c

Ta có: d = d\left( {I;\left( P \right)} \right) = \dfrac{{\left| {2.2 + 1 + 2.1 - 1} \right|}}{{\sqrt {{2^2} + {1^2} + {2^2}} }} = \dfrac{6}{3} = 2.

Áp dụng định lí Pytago ta có: {R^2} = {d^2} + {r^2} = {2^2} + {4^2} = 20 \Rightarrow R = 2\sqrt 5 .

Vậy phương trình mặt cầu là: {\left( {x - 2} \right)^2} + {\left( {y - 1} \right)^2} + {\left( {z - 1} \right)^2} = 20.

Câu 18 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right):\,\,{x^2} + {y^2} + {z^2} - 2x - 4y - 6z = 0. Đường tròn giao tuyến của \left( S \right) với mặt phẳng \left( {Oxy} \right) có bán kính là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: a
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: a
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: a

Mặt cầu \left( S \right) có tâm I\left( {1;2;3} \right), bán kính R = \sqrt {{1^2} + {2^2} + {3^2}}  = \sqrt {14} .

Ta có: d = d\left( {I;\left( {Oxy} \right)} \right) = \left| {{z_I}} \right| = 3.

Gọi r là bán kính đường tròn giao tuyến của \left( S \right)\left( {Oxy} \right), áp dụng định lí Pytago ta có:

{R^2} = {r^2} + {d^2} \Leftrightarrow {r} = \sqrt {{R^2} - {d^2}}  = \sqrt {14 - 9}  = \sqrt 5 .

Câu 19 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, cho mặt cầu \left( S \right) có tâm I\left( {1;0 - 4} \right) và tiếp xúc với mặt phẳng \left( {Oxy} \right). Phương trình mặt cầu \left( S \right) là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: b
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: b
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: b

Phương trình mặt phẳng \left( {Oxy} \right)z = 0 \Rightarrow d\left( {I;\left( {Oxy} \right)} \right) = \dfrac{{\left| { - 4} \right|}}{1} = 4.

\left( S \right) có tâm I\left( {1;0 - 4} \right) và tiếp xúc với mặt phẳng \left( {Oxy} \right) nên bán kính mặt cầu \left( S \right)R = d\left( {I;\left( {Oxy} \right)} \right) = 4.

Vậy phương trình mặt cầu \left( S \right) tâm I\left( {1;0 - 4} \right), bán kính R = 4 là:

{\left( {x - 1} \right)^2} + {y^2} + {\left( {z + 4} \right)^2} = 16

Câu 20 Trắc nghiệm

Trong không gian Oxyz, cho điểm I\left( {1;\,\,2;\,\,5} \right) và mặt phẳng \left( \alpha  \right):\,\,\,x - 2y + 2z + 2 = 0. Phương trình mặt cầu tâm I và tiếp xúc với \left( \alpha  \right) là:

Bạn đã chọn sai | Đáp án đúng: c
Bạn đã chọn đúng | Đáp án đúng: c
Bạn chưa làm câu này | Đáp án đúng: c

Gọi R là bán kính mặt cầu cần tìm \Rightarrow R = d\left( {I;\,\,\left( \alpha  \right)} \right) = \dfrac{{\left| {1 - 2.2 + 2.5 + 2} \right|}}{{\sqrt {1 + {{\left( { - 2} \right)}^2} + {2^2}} }} = \dfrac{9}{3} = 3.

Vậy mặt cầu tâm I và tiếp xúc với \left( \alpha  \right) có phương trình  là: {\left( {x - 1} \right)^2} + {\left( {y - 2} \right)^2} + {\left( {z - 5} \right)^2} = 9.