Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng \(\left( P \right):x - z + 6 = 0\) và hai mặt cầu \(\left( {{S_1}} \right):{x^2} + {y^2} + {z^2} = 25;\,\,\,\left( {{S_2}} \right):{x^2} + {y^2} + {z^2} + 4x - 4z + 7 = 0\). Biết rằng tập hợp tâm I các mặt cầu tiếp xúc với cả hai mặt cầu \((S_1), (S_2)\) và tâm I nằm trên (P) là một đường cong. Tính diện tích hình phẳng giới hạn bởi đường cong đó.
Suy nghĩ trả lời câu hỏi trước khi xem đáp án
Lời giải:
Báo sai\((S_1)\) có tâm O(0;0;0) và có bán kính \(R_1=5\).
\((S_2)\) có tâm K(-2;0;2) và có bán kính \(R_2=1\).
Ta thấy \(\overrightarrow {OK} = \left( { - 2;0;2} \right)\) vuông góc với mặt phẳng (P).
Do đó O, K, H thẳng hàng, với H là hình chiếu vuông góc của O xuống (P) và H cố định.
Ta có \(OH = d\left( {O,\left( P \right)} \right) = 3\sqrt 2 ,KH = d\left( {K,\left( P \right)} \right) = \sqrt 2 \)
Ta thấy mặt cầu \((S_1)\) chứa \((S_2)\), \((S_1)\) cắt (P) nhưng \((S_2)\) không cắt (P).
Do đó mặt cầu tâm I phải tiếp xúc trong với \((S_1)\) và tiếp xúc ngoài với \((S_2)\)
Gọi R là bán kính mặt cầu tâm I. Suy ra:
\(OI=R_1-R=5-R,KI=R_2+R=1+R\).
Ta có:
Do vậy, I luôn thuộc mặt cầu \((S_3)\) tâm H, bán kính \({R_3} = \frac{{\sqrt 7 }}{3}\).
Mà I thuộc mặt phẳng (P) nên I thuộc đường tròn giao tuyến của (P) và \((S_3)\).
Vì \(H \in (P)\) nên bán kính đường tròn giao tuyến là \(r={R_3} = \frac{{\sqrt 7 }}{3}\).
Vậy diện tích là \(\pi {r^2} = \frac{7}{9}\pi \)
Đề thi thử THPT QG môn Toán năm 2019
Trường THPT Chuyên Hưng Yên lần 3