ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 14Угол между прямой и плоскостью

Угол между прямой и плоскостью — разбор задания 14 ЕГЭ профиль

Задачи (28)

Ответы кратко — все задачи подтемы
№УсловиеОтвет
507576а) Дан прямоугольный параллелепипед ABCDA1B1C1D1. Докажите, что все грани тетраэдра ACB1D1…arcsin 24/85.
510556В правильной треугольной пирамиде SABC с основанием ABC известны рёбра: AB=21 √(3),SC=29. …б) arctg 10/21.
510597Основанием прямой призмы ABCA1B1C1 является равнобедренный треугольник ABC, где AB = AC = …б) arctg 3/5.
513098В основании четырёхугольной пирамиды SABCD лежит прямоугольник ABCD со сторонами AB = 4 и …30°
507611а) Дан прямоугольный параллелепипед ABCDA1B1C1D1. Докажите, что все грани тетраэдра ACB1D1…3/5.
484559В правильной треугольной пирамиде SABC с основанием ABC известны ребра AB=7 √(3), SC = 25.…\operatorname arctg 12/7.
485934Основанием прямой призмы ABCA1B1C1 является равнобедренный треугольник ABC, AB = AC = 5, B…arctg 3/5.
500024В прямоугольном параллелепипеде ABCDA1B1C1D1 известны AB = 2, AD = AA1 = 1. а) Пусть B1E —…arcsin дробь: числитель: 1, знаменатель: конец дроби √(10).
504544а) Докажите, что в правильной треугольной пирамиде SABC, где S — вершина пирамиды, прямая …arctg 5√(6)/24.
501125В правильной шестиугольной призме ABCDEFA'B'C'D'E'F' все ребра равны 1. а) Докажите, что A…arcsin 1/2√(2) arcsin √(2)/4.
484564В правильном тетраэдре ABCD М — середина ребра AD. а) Докажите, что проекция точки M на пл…arccos √(7)/3.
484568Длины всех ребер правильной четырёхугольной пирамиды PABCD с вершиной P равны между собой.…\angle MBN= arcsin √(6)/6.
518114В правильной треугольной призме ABCA1B1C1 известны рёбра: AB =4 √(2), AA1 = 4. Точка M — с…б) 30°
523995В основании правильной четырёхугольной пирамиды MABCD лежит квадрат ABCD. Противоположные …б) 30°
525393Дана пирамида SABC, в которой SC=SB= √(17), AB=AC= √(29), SA=BC=2 корень из 5. а) Докажите…б) arccos дробь: числитель: 1, знаменатель: конец дроби √(15
526591В основании прямой треугольной призмы ABCA1B1C1 лежит равнобедренный треугольник ABC с осн…б) arctg 3/√(5).
526675В правильной треугольной призме ABCA1B1C1 сторона основания равна 4, а боковое ребро равно…б) arcsin 3кореньиз3/√(91). б) arccos 8/√(91).
527178В правильной треугольной призме ABCA1B1C1 сторона основания AB=6 √(3). На ребре BC отмечен…π/3.
529731В правильном тетраэдре ABCD точка K — центр грани ABD, точка M — центр грани ACD.а) Докажи…б) arccos √(3)/3.
546443Основание ABCD призмы ABCDA_1B_1C_1D_1 — трапеция с основаниями AB = 2CD.а) Докажите, что …б) 30°
553830Точка M середина ребра AB правильного тетраэдра DABC.а) Докажите, что ортогональная проекц…б) arcsin кореньиз2/3.
559270В основании пирамиды SABCD лежит ромб АВСD, сторона которого равна 8, а угол при вершине A…б) arctg 4/9.
624023На ребрах BS и CS правильной четырехугольной пирамиды SABCD cо стороной основания AD = 10 …б) arcsin √(30)/15.
630195Точка O — точка пересечения диагоналей грани CDD1C1 куба ABCDA1B1C1D1. Плоскость DA1C1 пер…б) arctg корень из 2.
676857Дана правильная шестиугольная призма ABCDEFA1B1C1D1E1F1, сторона основания которой равна 2…б) arcsin 4√(35)/35.
681755Точка O — центр грани A1B1C1D1 прямоугольного параллелепипеда ABCDA1B1C1D1. Сечения паралл…б) arcsin √(1505)/258.
691278В прямоугольном параллелепипеде ABCDA1B1C1D1 известны углы: \angle C_1AA_1 = альфа, \angle…б) 30°
699395В основании прямой треугольной призмы ABCA1B1C1 лежит равнобедренный треугольник ABC с рав…б) arcsin 2√(5)/9.

О чём эта подтема

В задании 14 часто встречается требование найти угол между прямой и плоскостью в многограннике — параллелепипеде, призме, пирамиде. Это классическая стереометрическая задача, которая обычно идёт вторым пунктом после доказательства какого-то геометрического факта (равенства треугольников, деления отрезка пополам и т.п.).

Угол между прямой и плоскостью — это угол между прямой и её ортогональной проекцией на эту плоскость. Он всегда лежит в пределах от 0∘0^\circ до 90∘90^\circ (если прямая лежит в плоскости или параллельна ей, угол равен 0∘0^\circ; если перпендикулярна — 90∘90^\circ).

Задача проверяет одновременно два навыка: умение работать с пространственными фигурами (видеть перпендикуляры, проекции, симметрию) и умение применять координатный/векторный метод, когда чистая геометрия слишком громоздка. На экзамене выгоднее всего владеть обоими подходами и выбирать более быстрый в зависимости от конкретной фигуры.

Что нужно знать

Определение угла. Пусть прямая ℓ\ell пересекает плоскость α\alpha в точке OO, а точка AA лежит на ℓ\ell. Опустим перпендикуляр AHAH из точки AA на плоскость α\alpha (HH — проекция AA). Тогда угол между прямой и плоскостью — это угол ∠AOH\angle AOH в прямоугольном треугольнике AOHAOH с прямым углом при вершине HH.

Из этого треугольника сразу следуют рабочие формулы: sin⁡φ=AHOA,tan⁡φ=AHOH,cos⁡φ=OHOA,\sin\varphi = \frac{AH}{OA}, \qquad \tan\varphi = \frac{AH}{OH}, \qquad \cos\varphi = \frac{OH}{OA}, где AHAH — расстояние от точки прямой до плоскости, OHOH — длина проекции отрезка OAOA на плоскость.

Векторная (координатная) формула. Если a⃗\vec a — направляющий вектор прямой, а n⃗\vec n — вектор нормали к плоскости, то sin⁡φ=∣a⃗⋅n⃗∣∣a⃗∣ ∣n⃗∣.\sin\varphi = \frac{|\vec a \cdot \vec n|}{|\vec a|\,|\vec n|}. Обратите внимание: здесь именно синус, а не косинус — угол между прямой и плоскостью дополняет до 90∘90^\circ угол между прямой и нормалью, поэтому в формуле стоит синус вместо привычного косинуса угла между векторами. Модуль в числителе нужен, чтобы гарантированно получить неотрицательное значение и угол в диапазоне [0∘,90∘][0^\circ,90^\circ].

Как найти нормаль плоскости. Если плоскость задана тремя точками P,Q,RP,Q,R, берём два вектора в этой плоскости, например PQ⃗\vec{PQ} и PR⃗\vec{PR}, и находим их векторное произведение: n⃗=PQ⃗×PR⃗.\vec n = \vec{PQ} \times \vec{PR}. Если плоскость задаётся уравнением Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0, то нормаль — это просто n⃗=(A,B,C)\vec n=(A,B,C).

Свойства фигур, которые часто пригождаются:

  • В прямоугольном параллелепипеде рёбра попарно перпендикулярны, поэтому удобно вводить координаты, совмещая рёбра с осями.
  • Диагональ грани прямоугольника с сторонами p,qp,q равна p2+q2\sqrt{p^2+q^2}.
  • В правильной пирамиде основание вписано в окружность, апофема и высота образуют прямоугольный треугольник с боковым ребром.
  • Для правильного треугольника со стороной aa радиус описанной окружности R=a3R = \dfrac{a}{\sqrt3}, а высота бокового ребра пирамиды находится по теореме Пифагора: H=l2−R2H = \sqrt{l^2 - R^2}, где ll — боковое ребро.
  • Средняя линия треугольника или отрезок, соединяющий середины рёбер, часто помогает свести задачу к более простому плоскому чертежу.

Этого набора фактов достаточно для подавляющего большинства задач этой подтемы.

Как решать: метод и алгоритм

Есть два рабочих метода — геометрический и координатный. На экзамене чаще выгоднее координатный, так как он почти не требует догадок, но иногда геометрия быстрее, если в фигуре много симметрии.

Геометрический алгоритм:

  1. Найдите точку пересечения прямой с плоскостью (или её продолжения).
  2. Из другой точки прямой опустите перпендикуляр на плоскость — найдите проекцию.
  3. Постройте прямоугольный треугольник «точка — проекция — точка пересечения».
  4. Вычислите длины катетов и гипотенузы, используя теорему Пифагора, подобие треугольников или известные формулы объёма (через двойной подсчёт объёма пирамиды можно найти высоту-перпендикуляр).
  5. Найдите нужную тригонометрическую функцию угла и, если нужно, сам угол через arcsin/arctan.

Координатный алгоритм:

  1. Введите систему координат так, чтобы как можно больше точек имели простые координаты (обычно совмещают вершину прямого трёхгранного угла с началом координат, а рёбра — с осями).
  2. Найдите координаты всех нужных точек.
  3. Постройте направляющий вектор прямой a⃗\vec a (разность координат двух точек прямой).
  4. Найдите нормаль плоскости n⃗\vec n через векторное произведение двух векторов, лежащих в плоскости.
  5. Подставьте в формулу sin⁡φ=∣a⃗⋅n⃗∣∣a⃗∣∣n⃗∣\sin\varphi = \dfrac{|\vec a \cdot \vec n|}{|\vec a||\vec n|}.
  6. Запишите ответ как arcsin (или, если удобнее, вычислите tan⁡φ\tan\varphi и запишите arctan).

Важно: ответ в задании 14 обычно нужно давать в виде arcsin, arctg или числа (если угол «красивый», например 30∘,45∘,60∘30^\circ,45^\circ,60^\circ). Проверяйте, какой вид ответа проще получить — иногда быстрее найти tan⁡φ\tan\varphi через прямоугольный треугольник, чем возиться с векторным произведением.

Разбор примера

Пример 1

Условие. Дан прямоугольный параллелепипед ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1, AA1=8AA_1=8, AB=6AB=6, BC=15BC=15. а) Докажите, что все грани тетраэдра ACB1D1ACB_1D_1 — равные треугольники. б) Найдите угол между плоскостью A1BCA_1BC и прямой BC1BC_1.

Часть а) — кратко. Диагонали граней параллелепипеда равны: AC=AB2+BC2AC=\sqrt{AB^2+BC^2}, AB1=AB2+AA12AB_1=\sqrt{AB^2+AA_1^2}, B1C=BC2+CC12B_1C=\sqrt{BC^2+CC_1^2} и так далее. У тетраэдра ACB1D1ACB_1D_1 каждая грань — треугольник, стороны которого являются как раз диагоналями трёх разных граней параллелепипеда, и эти длины одинаковы для всех четырёх граней тетраэдра (по свойству прямоугольного параллелепипеда противоположные грани равны). Поэтому по признаку равенства треугольников (по трём сторонам) все грани тетраэдра равны — тетраэдр равногранный.

Часть б) — подробно, координатный метод.

Введём систему координат: A=(0,0,0)A=(0,0,0), B=(6,0,0)B=(6,0,0), C=(6,15,0)C=(6,15,0), D=(0,15,0)D=(0,15,0), а верхние вершины получаются сдвигом на AA1=8AA_1=8 по оси zz: A1=(0,0,8),B1=(6,0,8),C1=(6,15,8),D1=(0,15,8).A_1=(0,0,8),\quad B_1=(6,0,8),\quad C_1=(6,15,8),\quad D_1=(0,15,8).

Шаг 1. Направляющий вектор прямой BC1BC_1. BC1⃗=C1−B=(6−6, 15−0, 8−0)=(0,15,8).\vec{BC_1} = C_1 - B = (6-6,\,15-0,\,8-0) = (0,15,8).

Шаг 2. Нормаль плоскости A1BCA_1BC. Возьмём два вектора в плоскости: BA1⃗=A1−B=(−6,0,8)\vec{BA_1}=A_1-B=(-6,0,8) и BC⃗=C−B=(0,15,0)\vec{BC}=C-B=(0,15,0).

Найдём векторное произведение: n⃗=BA1⃗×BC⃗=∣i⃗j⃗k⃗−6080150∣=(0⋅0−8⋅15,  −((−6)⋅0−8⋅0),  (−6)⋅15−0⋅0)=(−120, 0, −90).\vec n = \vec{BA_1}\times\vec{BC} = \begin{vmatrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ -6 & 0 & 8 \\ 0 & 15 & 0 \end{vmatrix} = (0\cdot0 - 8\cdot15,\; -((-6)\cdot0 - 8\cdot0),\; (-6)\cdot15 - 0\cdot0) = (-120,\,0,\,-90).

Упростим, разделив на −30-30: n⃗=(4,0,3)\vec n = (4,0,3).

Шаг 3. Подставим в формулу синуса угла. a⃗⋅n⃗=0⋅4+15⋅0+8⋅3=24.\vec a \cdot \vec n = 0\cdot4 + 15\cdot0 + 8\cdot3 = 24. ∣a⃗∣=02+152+82=289=17,∣n⃗∣=42+02+32=25=5.|\vec a| = \sqrt{0^2+15^2+8^2} = \sqrt{289}=17, \qquad |\vec n| = \sqrt{4^2+0^2+3^2}=\sqrt{25}=5. sin⁡φ=∣24∣17⋅5=2485.\sin\varphi = \frac{|24|}{17\cdot5} = \frac{24}{85}.

Ответ: φ=arcsin⁡2485\varphi = \arcsin\dfrac{24}{85}.

Здесь координатный метод сработал быстро именно потому, что параллелепипед прямоугольный — оси координат сразу совпадают с рёбрами.

Пример 2

Условие. Правильная треугольная пирамида SABCSABC: AB=213AB = 21\sqrt3, SC=29SC = 29. Точки M,NM,N — середины ASAS и BCBC. а) Докажите, что MNMN делится пополам высотой пирамиды, проведённой из SS. б) Найдите угол между плоскостью основания и прямой MNMN.

Подготовка. Так как пирамида правильная, апекс SS проецируется в центр OO описанной окружности основания, а все боковые рёбра равны: SA=SB=SC=29SA=SB=SC=29. Сторона основания a=213a=21\sqrt3, значит радиус описанной окружности R=a3=2133=21.R = \frac{a}{\sqrt3} = \frac{21\sqrt3}{\sqrt3}=21. Высота пирамиды по теореме Пифагора из треугольника SOASOA: H=SA2−R2=292−212=841−441=400=20.H = \sqrt{SA^2 - R^2} = \sqrt{29^2-21^2} = \sqrt{841-441}=\sqrt{400}=20.

Координаты. Пусть O=(0,0,0)O=(0,0,0) — центр основания, S=(0,0,20)S=(0,0,20). Разместим A=(21,0,0)A=(21,0,0), а B,CB,C — на окружности радиуса 2121 через 120∘120^\circ: B=(−10.5,  10.53,  0),C=(−10.5,  −10.53,  0).B=\left(-10.5,\;10.5\sqrt3,\;0\right),\qquad C=\left(-10.5,\;-10.5\sqrt3,\;0\right).

Шаг 1. Найдём MM и NN. M=середина AS=(21+02,0,0+202)=(10.5, 0, 10).M = \text{середина } AS = \left(\frac{21+0}{2},0,\frac{0+20}{2}\right) = (10.5,\,0,\,10). N=середина BC=(−10.5, 0, 0)N = \text{середина } BC = \left(-10.5,\,0,\,0\right) (так как yy-координаты BB и CC противоположны и сокращаются).

Часть а). Высота пирамиды из SS — это прямая x=0, y=0x=0,\,y=0 (ось zz, от OO до SS). Найдём середину отрезка MNMN: середина MN=(10.5+(−10.5)2, 0, 10+02)=(0,0,5).\text{середина } MN = \left(\frac{10.5+(-10.5)}{2},\,0,\,\frac{10+0}{2}\right) = (0,0,5). Эта точка имеет x=0, y=0x=0,\,y=0 — значит, она лежит на прямой высоты пирамиды. Тем самым доказано, что высота, проведённая из SS, проходит через середину MNMN, то есть делит этот отрезок пополам.

Часть б). Направляющий вектор прямой MNMN: MN⃗=N−M=(−10.5−10.5,  0−0,  0−10)=(−21, 0, −10).\vec{MN} = N-M = (-10.5-10.5,\;0-0,\;0-10) = (-21,\,0,\,-10).

Плоскость основания — это плоскость z=0z=0, её нормаль n⃗=(0,0,1)\vec n=(0,0,1).

Используем формулу синуса: sin⁡φ=∣MN⃗⋅n⃗∣∣MN⃗∣ ∣n⃗∣=∣−10∣212+02+102⋅1=10441+100=10541.\sin\varphi = \frac{|\vec{MN}\cdot\vec n|}{|\vec{MN}|\,|\vec n|} = \frac{|-10|}{\sqrt{21^2+0^2+10^2}\cdot 1} = \frac{10}{\sqrt{441+100}} = \frac{10}{\sqrt{541}}.

Чтобы получить ответ в виде арктангенса (как в эталонном ответе), удобнее рассуждать через проекцию на плоскость: проекция вектора MN⃗\vec{MN} на плоскость z=0z=0 — это вектор (−21,0,0)(-21,0,0) длиной 2121, а «высота» (изменение по zz) равна 1010. Тогда угол между прямой и плоскостью находится из прямоугольного треугольника: tan⁡φ=∣Δz∣∣проекция∣=1021.\tan\varphi = \frac{|\Delta z|}{|\text{проекция}|} = \frac{10}{21}.

Ответ: φ=arctg⁡1021\varphi = \operatorname{arctg}\dfrac{10}{21}.

Этот пример показывает удобный приём: если нормаль плоскости — просто ось zz (плоскость основания горизонтальна), угол находится через отношение «вертикального перепада» к «горизонтальному смещению» — не нужно даже вычислять векторное произведение.

Типичные ошибки

  • Путают угол между прямой и плоскостью с углом между прямой и нормалью. Это дополнительные углы, поэтому в формуле стоит именно синус, а не косинус. Если случайно посчитать косинус угла между a⃗\vec a и n⃗\vec n, получится косинус угла между прямой и нормалью — это не тот угол, который спрашивают в задаче.
  • Забывают модуль в числителе. Скалярное произведение может быть отрицательным из-за выбора направления вектора — но угол всегда неотрицательный, поэтому обязательно берите модуль.
  • Ошибка в векторном произведении. Самая частая техническая ошибка — перепутанный знак при вычислении определителя 3×33\times3. Проверяйте вычисления построчно и, если есть время, — по правилу «крест-накрест».
  • Путают проекцию точки с проекцией отрезка. При построении прямоугольного треугольника важно, чтобы вершина прямого угла действительно была основанием перпендикуляра, а не произвольной точкой плоскости.
  • Неправильно выбирают систему координат — если оси не совмещены с перпендикулярными рёбрами, вычисления становятся куда длиннее и появляется риск ошибки.
  • Забывают, что угол должен быть в диапазоне [0∘,90∘][0^\circ,90^\circ]. Если в результате вычислений получился «тупой» аргумент арккосинуса, скорее всего где-то потерян модуль или перепутан знак.
  • Не проверяют результат через альтернативный метод. Если позволяет время, полезно проверить синус угла через геометрическое построение прямоугольного треугольника — это подтверждает правильность координатных вычислений.

На что обратить внимание на экзамене

При решении части б) задания 14 всегда чётко определяйте, что является прямой и что — плоскостью в условии: часто плоскость задаётся тремя буквами (например, A1BCA_1BC), а прямая — двумя точками, одна из которых может не лежать в этой плоскости. Не путайте порядок точек в векторах — направление вектора не влияет на итоговый угол благодаря модулю, но сама разница координат должна быть посчитана верно.

Перед тем как выбрать координатный метод, оцените, насколько «удобна» фигура: в прямоугольном параллелепипеде оси координат почти всегда совпадают с рёбрами, а в правильной пирамиде центр основания — естественное начало координат. В обоих разобранных примерах именно такой выбор системы координат сделал вычисления короткими.

Окончательный ответ записывайте в той форме, которая ожидается — arcsin, arctg или числовое значение угла, если он «красивый» (30∘,45∘,60∘30^\circ,45^\circ,60^\circ). Если получили sin⁡φ\sin\varphi или tan⁡φ\tan\varphi в виде дроби, но не уверены, какую функцию использовать, вспомните, что при работе с проекцией на горизонтальную плоскость (когда нормаль — это просто вертикальная ось) тангенс находится напрямую как отношение «высоты» к «горизонтальному сдвигу», без всякого векторного произведения — это экономит время.

Обязательно указывайте промежуточные шаги: координаты точек, вектор нормали, вычисление скалярного произведения и длин. В критериях ЕГЭ по этому заданию баллы часто снимают именно за отсутствие обоснования, даже если финальный численный ответ верен.

Частые вопросы

Чем отличается угол между прямой и плоскостью от угла между двумя прямыми в пространстве?

Угол между прямой и плоскостью — это угол между прямой и её проекцией на плоскость, он лежит в диапазоне от 0° до 90°. Угол между двумя прямыми определяется через их направляющие векторы и тоже берётся острым или прямым, но плоскость в этом определении не участвует — сравниваются только направления двух прямых.

Почему в формуле через векторы стоит синус, а не косинус?

Потому что угол между прямой и плоскостью дополняет до 90° угол между прямой и нормалью плоскости. Косинус угла между направляющим вектором прямой и нормалью равен синусу искомого угла, поэтому в рабочей формуле используется именно синус: sin⁡φ=∣a⃗⋅n⃗∣∣a⃗∣∣n⃗∣\sin\varphi = \dfrac{|\vec a\cdot\vec n|}{|\vec a||\vec n|}.

Как выбрать систему координат в прямоугольном параллелепипеде?

Удобнее всего поместить начало координат в одну из вершин, а рёбра, выходящие из неё, направить вдоль осей x, y, z. Так как в прямоугольном параллелепипеде эти рёбра попарно перпендикулярны, координаты всех остальных вершин получаются простым сложением длин рёбер.

Что делать, если плоскость основания горизонтальна, а нужно найти угол с прямой?

В этом случае нормаль плоскости — вертикальная ось (0,0,1), и удобно не считать векторное произведение, а сразу найти отношение изменения координаты z (по прямой) к длине проекции этой прямой на горизонтальную плоскость — это даст тангенс искомого угла напрямую.

Как проверить, что найденный угол — правильный, а не его дополнение до 90°?

Постройте прямоугольный треугольник геометрически: катет — перпендикуляр от точки прямой до плоскости, второй катет — проекция на плоскость, гипотенуза — сама прямая. Синус искомого угла равен отношению перпендикуляра к гипотенузе, а не к проекции — если перепутать катеты, получится дополнительный угол.

Нужно ли всегда доказывать вспомогательный факт (часть а), прежде чем искать угол?

Да, часть а) обычно закладывает геометрическую основу — доказанное свойство (равенство треугольников, деление отрезка пополам) часто напрямую упрощает построение системы координат или нахождение нужных точек в части б), поэтому пропускать её не стоит даже при дефиците времени.