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Séquence 8 · Géométrie dans l'espace : droites, plans, orthogonalité et distances

Comment savoir si une trajectoire rectiligne traverse un plan, et calculer la distance d'un point à un plan dans l'espace ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée général · Terminale
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de spécialité de mathématiques de Terminale générale, BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en 2026-2027 ; le nouveau programme entre en Terminale à la rentrée 2027.
Place dans le programmeProgramme de spécialité de mathématiques de terminale générale (BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en terminale en 2026-2027 ; le nouveau programme du BO du 2 avril 2026 entre en terminale à la rentrée 2027), partie « Géométrie », sections « Orthogonalité et distances dans l'espace » et « Représentations paramétriques et équations cartésiennes »
Durée totale2 séances + 1 évaluation ≈ 3 h 05
ModalitéEnseignement à distance : classe virtuelle + travail autonome + rendu sur l'ENT

Objectifs et capacités

Objectifs

Capacités travaillées (BO)

Notions et définitions

repère orthonormé de l'espaceproduit scalaire xx' + yy' + zz'représentation paramétrique d'une droitevecteur normal, équation ax + by + cz + d = 0projeté orthogonal, distance d'un point à un plan

Repères historiques

Ressources de la séquence

Ancrage dans le programme, notions, repères, débats, bibliographie et différenciation, communs à toutes les séances.

Ancrage dans le programme officiel

Objectif : « L'objectif majeur est une bonne maîtrise des représentations paramétriques de droites et des équations de plans. »

Capacité attendue : « Utiliser le produit scalaire pour démontrer une orthogonalité, pour calculer un angle, »

Compétences : « L'évaluation doit permettre de repérer les acquis des élèves en lien avec les six compétences mathématiques : chercher, modéliser, représenter, raisonner, calculer, communiquer. »

Épreuve de spécialité (terminale, version consolidée 2024) : écrite, 4 heures, coefficient 16. « Le sujet comporte quatre exercices indépendants les uns des autres, qui permettent d'évaluer les connaissances et compétences des candidats. » « Chaque exercice est noté sur 4 à 8 points. » (définition consolidée de l'épreuve de spécialité (éduscol)).

Notions : définitions rigoureuses

Produit scalaire dans l'espace
En repère orthonormé, u · v = xx' + yy' + zz' et ‖u‖ = √(x² + y² + z²).
Représentation paramétrique
x = x_A + at, y = y_A + bt, z = z_A + ct, t réel, pour la droite passant par A dirigée par u(a ; b ; c).
Vecteur normal
Vecteur non nul orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan.
Équation cartésienne
Le plan passant par A de vecteur normal n(a ; b ; c) a une équation ax + by + cz + d = 0.
Orthogonalité droite et plan
Une droite est orthogonale à un plan si son vecteur directeur est normal au plan.
Projeté orthogonal
Point H du plan tel que AH soit normal au plan ; c'est le point du plan le plus proche de A.

Repères

DateÉvénement
vers 300 av. J.‑C.Euclide consacre le livre XI des Éléments aux solides et aux plans.
1773Lagrange traite des pyramides par les coordonnées.
1799Monge publie la Géométrie descriptive.
1844Grassmann étend le calcul vectoriel aux dimensions supérieures.

Les historiens en débat

La géométrie dans l'espace, longtemps affaire de constructions (Euclide, Monge), devient avec les coordonnées un calcul dans ℝ³. Le produit scalaire permet de traiter l'orthogonalité et les distances, utiles en architecture, en modélisation 3D, en robotique ou pour les trajectoires aériennes. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Droites et plans de l'espace65 mindécrire droites et plans par des équations et étudier leurs intersections
Séance 2Orthogonalité, projeté et distance65 mindémontrer une orthogonalité et calculer une distance dans l'espace
ÉvaluationÉvaluation de fin de séquence (/20)55 minVérifier les acquis : connaissances, capacités, rédaction

Chaque séance dure environ 55 minutes à distance : lancement en classe virtuelle ou par message sur l'ENT, recherche du problème (calculatrice, tableur, GeoGebra ou Python dans le navigateur), mise en commun, cours et trace écrite. Les élèves renvoient la fiche à trous et leur production par l'ENT ou en photo.

Séance 1 · Droites et plans de l'espace

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Un avion en montée traversera‑t‑il la couche nuageuse ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Représentations paramétriques et équations cartésiennes

Dans un repère orthonormé de l'espace, la droite passant par A et dirigée par u(a ; b ; c) a pour représentation paramétrique x = x_A + at, y = y_A + bt, z = z_A + ct (t réel) : à chaque t correspond un point. Un vecteur normal n à un plan est orthogonal à tous ses vecteurs ; le plan passant par A et de vecteur normal n(a ; b ; c) est l'ensemble des M tels que AM · n = 0, d'où une équation cartésienne ax + by + cz + d = 0. Réciproquement, une telle équation définit un plan de vecteur normal (a ; b ; c). Pour l'intersection d'une droite et d'un plan, on reporte la représentation paramétrique dans l'équation et on résout en t.

Document 1 · Le décollage

Situation-problème.

Dans un repère orthonormé (unité : km), un avion décolle du point A(0 ; 0 ; 0) et suit la droite dirigée par u(4 ; 3 ; 0,5). La base de la couche nuageuse est modélisée par le plan horizontal z = 2, et une zone interdite par le plan P : x + y − 4z − 10 = 0.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Modélisez.

  1. Représentation paramétrique de la trajectoire ?
    ✔ Corrigé :

    x = 4t, y = 3t, z = 0,5t.

  2. En quel point l'avion atteint‑il les nuages ?
    ✔ Corrigé :

    0,5t = 2, t = 4 : (16 ; 12 ; 2).

  3. Un vecteur normal au plan P ?
    ✔ Corrigé :

    (1 ; 1 ; −4).

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Calculez.

  1. Intersection de la trajectoire et de P.
    ✔ Corrigé :

    4t + 3t − 2t − 10 = 0, t = 2 : (8 ; 6 ; 1).

  2. Équation du plan passant par B(1 ; 2 ; 3) de vecteur normal (2 ; 0 ; 1).
    ✔ Corrigé :

    2x + z − 5 = 0.

  3. La droite (0 ; t ; 2t) est‑elle parallèle au plan 2x + 2y − z = 3 ?
    ✔ Corrigé :

    u(0 ; 1 ; 2) · n(2 ; 2 ; −1) = 0 et le point (0 ; 0 ; 0) n'est pas dans le plan : parallèle strictement.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez la note du contrôleur aérien (8 lignes) : la trajectoire traverse‑t‑elle la zone interdite avant d'atteindre les nuages ? Justifiez avec les paramètres t. Pour bien commencer : La trajectoire est paramétrée par… · Elle coupe le plan P pour t = … · Elle atteint les nuages pour t = …, donc…

✔ Corrigé rédigé :

Paramètres t = 2 pour P et t = 4 pour les nuages ; ordre chronologique ; points calculés ; recommandation ; unités.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

La représentation paramétrique d'une droite associe un point à chaque réel t. Le vecteur (a ; b ; c) est normal au plan ax + by + cz + d = 0. Pour couper une droite et un plan, on reporte la représentation dans l'équation. AM · n = 0 caractérise les points du plan.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Orthogonalité, projeté et distance

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Quelle est la distance d'une antenne au toit incliné ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Produit scalaire dans l'espace

En repère orthonormé, u · v = xx' + yy' + zz' ; u et v sont orthogonaux si u · v = 0. Deux droites sont orthogonales si leurs vecteurs directeurs le sont (même si elles ne se coupent pas). Une droite est orthogonale à un plan si elle est orthogonale à deux droites sécantes du plan, ou si son vecteur directeur est normal au plan. Le projeté orthogonal H de A sur un plan P est l'intersection de P et de la droite passant par A dirigée par un vecteur normal ; c'est le point de P le plus proche de A, et AH est la distance de A à P. Pour trouver un vecteur normal à un plan défini par deux vecteurs u et v, on cherche n tel que n · u = 0 et n · v = 0.

Document 1 · Le toit et l'antenne

Situation-problème.

Le pan d'un toit est modélisé par le plan P : x + 2y − 2z + 2 = 0 (unité : m) et une antenne est fixée au point C(3 ; 4 ; 0). On veut poser le câble le plus court entre C et le toit.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Calculez.

  1. Représentation de la droite passant par C et orthogonale à P ?
    ✔ Corrigé :

    x = 3 + t, y = 4 + 2t, z = −2t.

  2. Valeur de t au point H ?
    ✔ Corrigé :

    9t + 13 = 0, t = −13/9.

  3. Longueur CH ?
    ✔ Corrigé :
    t× ‖n‖ = 13/9 × 3 = 13/3 ≈ 4,33 m.
Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Démontrez ou calculez.

  1. A(1 ; 0 ; 0), B(0 ; 1 ; 0), D(0 ; 0 ; 1) : un vecteur normal au plan (ABD) ?
    ✔ Corrigé :

    AB(−1 ; 1 ; 0), AD(−1 ; 0 ; 1) : n(1 ; 1 ; 1) convient.

  2. Équation de (ABD) ?
    ✔ Corrigé :

    x + y + z − 1 = 0.

  3. Distance de O à (ABD) ?
    ✔ Corrigé :

    Projeté (1/3 ; 1/3 ; 1/3), distance √3/3.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez la fiche d'intervention de l'installateur (8 lignes) : position du point de fixation H sur le toit, longueur du câble, justification que c'est le plus court. Pour bien commencer : Le câble le plus court est porté par la droite… · Le point de fixation a pour coordonnées… · Tout autre point M du toit vérifie CM > CH car…

✔ Corrigé rédigé :

H(14/9 ; 10/9 ; 26/9) ; CH = 13/3 m ; justification par Pythagore dans le triangle CHM rectangle en H ; clarté et unités.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

En repère orthonormé, u · v = xx' + yy' + zz'. Le projeté orthogonal est le point du plan le plus proche. Une droite est orthogonale à un plan si son vecteur directeur est normal au plan. Deux droites orthogonales ne sont pas forcément sécantes.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

Une droite passant par A(x_A ; y_A ; z_A) et dirigée par u(a ; b ; c) a pour représentation paramétrique x = x_A + at, y = y_A + bt, z = z_A + ct.

Le vecteur n(a ; b ; c) est normal au plan d'équation ax + by + cz + d = 0.

Une droite est orthogonale à un plan si elle est orthogonale à deux droites sécantes de ce plan.

La distance d'un point A à un plan est la distance AH, où H est le projeté orthogonal de A sur le plan.

La version élève contient la même fiche avec une banque de mots (papier ou ENT).

Évaluation de fin de séquence (/20) · barème et corrigé

Évaluation sur 20 à faire en temps limité sur l'ENT ou sur papier, puis à renvoyer en photo ; le corrigé et le barème servent aussi à l'autoévaluation. En Bac Pro, elle est construite comme une situation de contrôle en cours de formation (problème contextualisé, compétences évaluées) ; en 1re générale, elle prépare à l'épreuve anticipée (automatismes sans calculatrice et exercices) ; en Terminale générale, aux exercices indépendants de l'épreuve de spécialité.

N°QuestionBarèmeCorrigé et critères
1Dans un repère orthonormé, u(1 ; −2 ; 2) et v(4 ; 1 ; −1). Calculez u · v, ‖u‖ et dites si u et v sont orthogonaux. Donnez une représentation paramétrique de la droite passant par A(1 ; 0 ; 3) dirigée par u.4 pts4 − 2 − 2 = 0 : orthogonaux ; ‖u‖ = 3 ; x = 1 + t, y = −2t, z = 3 + 2t. Un point, un point, deux points.
2Déterminez une équation du plan P passant par B(2 ; −1 ; 1) et de vecteur normal n(1 ; 2 ; −2), puis l'intersection de P avec la droite de l'exercice précédent.8 ptsx + 2y − 2z + d = 0, B donne 2 − 2 − 2 + d = 0, d = 2 : x + 2y − 2z + 2 = 0. Intersection : 1 + t − 4t − 6 − 4t + 2 = 0, −7t − 3 = 0, t = −3/7 : point (4/7 ; 6/7 ; 15/7). Plan (4 pts), intersection (4 pts).
3Calculez la distance du point C(3 ; 4 ; 0) au plan P : x + 2y − 2z + 2 = 0, en déterminant le projeté orthogonal H de C sur P. Rédigez. Pour bien commencer : *Le projeté orthogonal H est sur la droite passant par C et dirigée par…* · *En reportant dans l'équation du plan, …* · *La distance vaut…*8 ptsDroite passant par C dirigée par n : (3 + t ; 4 + 2t ; −2t) ; dans P : 3 + t + 8 + 4t + 4t + 2 = 0, t = −13/9 ; H(14/9 ; 10/9 ; 26/9) ; CH = |t| × ‖n‖ = 13/9 × 3 = 13/3. Méthode (4 pts), calculs (3 pts), conclusion (1 pt).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent