Terminale Spé Maths / Chapitre 11 : Orthogonalité et distances dans l'espace
Orthogonalité et distances dans l'espace : exercices type bac
Trois exercices complets, dans le style de l'épreuve du bac :
- un cube, le plan , une droite orthogonale, une distance et un volume ;
- une pyramide régulière, le plan , le projeté orthogonal du point , une aire et un volume ;
- deux plans avec un paramètre : perpendicularité, droite d'intersection, projeté et distance.
Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie de bac :
- repère orthonormé déclaré ;
- vecteur normal justifié par deux produits scalaires nuls ;
- équation de plan vérifiée avec ses points ;
- projeté orthogonal et distance recoupés ;
- conclusion en valeur exacte puis approchée.
Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 30 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.
💡 Comment t'entraîner efficacement
- Chronomètre-toi et rédige tout, comme le jour du bac.
- Commence par écrire les coordonnées de tous les points de l'énoncé.
- Pour chaque plan, fais deux vérifications : le vecteur normal (produits scalaires nuls) et l'équation (points du plan).
- À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus » : c'est la liste de ce que le correcteur cherche.
Exercice 1 : un cube et le plan
est un cube d'arête . On munit l'espace du repère orthonormé .
1. Donner les coordonnées des points , , , et .
2. Montrer que le vecteur est normal au plan . En déduire une équation cartésienne de .
3. Montrer que la droite est orthogonale au plan et déterminer les coordonnées de leur point d'intersection .
4. Calculer la distance du point au plan .
5. Le triangle est équilatéral de côté . En déduire le volume du tétraèdre .
✏️ Correction de la question 1
✅ , , , ,
✏️ Correction de la question 2
et . Ces vecteurs ne sont pas colinéaires.
✅ est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan : c'est un vecteur normal.
Une équation est . Comme : , donc .
✅
Vérification : : ✓ et : ✓
✏️ Correction de la question 3
. On observe : est un vecteur normal du plan .
✅ La droite est orthogonale au plan .
Une représentation paramétrique de est , , (). On remplace dans l'équation du plan :
Donc , puis , , .
✅
Vérification dans le plan : ✓
✏️ Correction de la question 4
La distance de au plan est (car est le projeté orthogonal de sur ).
✅
Contrôle avec la formule : ✓
✏️ Correction de la question 5
L'aire du triangle équilatéral de côté est .
La hauteur du tétraèdre issue de est la distance de au plan de la base .
✅
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1
• Q1 : coordonnées correctes.
• Q2 : deux produits scalaires nuls, avec la non-colinéarité de et ; équation avec le calcul de ; vérification avec et .
• Q3 : justifie l'orthogonalité ; représentation paramétrique, substitution, valeur de , coordonnées de .
• Q4 : distance ; contrôle avec la formule (facultatif mais apprécié).
• Q5 : aire de la base, hauteur justifiée (distance au plan de la base), formule aire hauteur.
Exercice 2 : une pyramide régulière
L'espace est muni d'un repère orthonormé. On considère la pyramide de base carrée avec , , , et de sommet .
1. Montrer que le vecteur est normal au plan . En déduire une équation de ce plan.
2. Déterminer une représentation paramétrique de la droite passant par et orthogonale au plan .
3. Déterminer les coordonnées du projeté orthogonal de sur et calculer .
4. Calculer l'aire du triangle , puis le volume du tétraèdre . Vérifier avec la base .
5. Vérifier la valeur de avec la fonction
distance_plandu cours.
✏️ Correction de la question 1
et ne sont pas colinéaires.
✅ est un vecteur normal au plan .
Une équation est . Comme est dans le plan : , donc .
✅
Vérification : : ✓ et : ✓
✏️ Correction de la question 2
La droite est orthogonale au plan : est un vecteur directeur. Elle passe par .
✅
✏️ Correction de la question 3
Le projeté orthogonal de sur est le point d'intersection de et du plan. On remplace dans l'équation :
Donc .
✅
Vérification dans le plan : ✓
, donc .
✅
Contrôle avec la formule : ✓
✏️ Correction de la question 4
Le triangle est isocèle en : et . Soit le milieu de . La médiane est aussi une hauteur.
✅
Le volume avec la base et la hauteur :
✅
Avec la base . Le triangle est rectangle isocèle en : son aire est . La hauteur issue de est (la cote de , car le plan est le plan ).
✅ ✓
✏️ Correction de la question 5
distance_plan((0, 0, 0), 2, 0, 1, -8)
Le script renvoie environ 3.5777.
C'est cohérent avec .
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2
• Q1 : deux produits scalaires nuls, équation avec calcul de , vérification avec et .
• Q2 : vecteur directeur (justifié par l'orthogonalité de au plan).
• Q3 : substitution dans l'équation du plan, valeur de , coordonnées de , , contrôle avec la formule.
• Q4 : aire justifiée (hauteur ), volume, recoupement avec une autre base.
• Q5 : valeur du script et interprétation.
Exercice 3 : deux plans, un paramètre
L'espace est muni d'un repère orthonormé. Pour tout réel , on considère le plan d'équation , et le plan d'équation .
1. Déterminer pour que et soient perpendiculaires.
2. Pour cette valeur de , montrer que et sont sécants et déterminer une représentation paramétrique de leur droite d'intersection .
3. Vérifier que le vecteur directeur de est orthogonal aux vecteurs normaux des deux plans.
4. Déterminer le projeté orthogonal du point sur , puis la distance de à .
✏️ Correction de la question 1
Les vecteurs normaux sont et . Les plans sont perpendiculaires si et seulement si :
✅
✏️ Correction de la question 2
Pour , et ne sont pas colinéaires.
✅ Les plans et sont sécants suivant une droite .
Un point est dans si et seulement si :
En retranchant la seconde à la première : , donc .
La seconde équation donne .
On prend comme paramètre :
✅
Vérification : dans : ✓ ; dans : ✓
✏️ Correction de la question 3
Le vecteur directeur de est .
✓
✓
✅ est orthogonal à et à , comme il se doit pour une droite contenue dans les deux plans.
✏️ Correction de la question 4
On pose . Comme :
Donc .
✅
Vérification dans : ✓
.
✅
Contrôle avec la formule : ✓
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3
• Q1 : condition écrite et résolue.
• Q2 : non-colinéarité des vecteurs normaux (plans sécants), résolution du système en prenant une inconnue comme paramètre, vérification dans les deux équations.
• Q3 : deux produits scalaires nuls.
• Q4 : avec , valeur de , coordonnées de , distance recoupée avec la formule.
🎯 Les réflexes à retenir
- Un vecteur normal se justifie par deux produits scalaires nuls avec deux vecteurs non colinéaires du plan.
- Une équation de plan se vérifie avec tous ses points.
- Une droite orthogonale à un plan a pour vecteur directeur un vecteur normal du plan.
- Le projeté orthogonal se calcule par et ; la distance se recoupe avec la formule.
- Un volume de tétraèdre : base hauteur, avec une hauteur qui est une distance à un plan.
Aller plus loin avec les vrais sujets
Quand tu es à l'aise avec ce chapitre, entraîne-toi sur les exercices de géométrie dans l'espace des sujets officiels des années précédentes.
Ils sont disponibles sur le site de l'APMEP.
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