Graniastosłupy i ostrosłupy - matura-podstawowa - Baza Wiedzy

Graniastosłupy

Graniastosłupem nazywamy wielościan, w którym dwie ściany zwane podstawami są równoległymi wielokątami przystającymi, natomiast ściany boczne są równoległobokami.
Wysokość graniastosłupa to odcinek prostopadły do jego podstaw, którego końce zawierają się w płaszczyznach na których leżą te podstawy.

Typowe graniastosłupy:

Graniastosłupy mogą być:

Proste - wtedy ich wszystkie ściany boczne to prostokąty, a podstawa to dowolny wielokąt
Prawidłowe - wtedy to graniastosłupy proste, które mają w podstawie wielokąt foremny (wszystkie boki równej długości) np. trójkąt równoboczny, kwadrat itp.

Typowym graniastosłupem prostym jest prostopadłościan - graniastosłup o podstawie prostokąta.

d jest przekątną prostopadłościanu. Jak policzyć taką przekątną? Skorzystamy z tego, że w graniastosłupie prostym ściany są prostopadłe do podstaw, więc trójkąt zaznaczony na niebiesko jest prostokątny:

Zatem kłania nam się twierdzenie Pitagorasa i to dwukrotnie, ponieważ musimy go użyć do d, ale także do przekątnej podstawy, nazwijmy ją $e$. Wtedy:
$a^2+b^2=e^2$ dla trójkąta o bokach $a$, $b$, $e$ (który jest prostokątny bo podstawa to prostokąt)
$e^2+c^2=d^2$ (dla niebieskiego trójkąta)

Wystarczy teraz podstawić $e^2$ z pierwszego równania do drugiego, żeby dostać:
$a^2+b^2+c^2=d^2$

Typowym graniastosłupem prawidłowym jest sześcian, czyli graniastosłup o podstawie kwadratu, którego wysokość jest równa krawędzi podstawy.

Przekątną sześcianu liczymy identycznie jak w prostopadłościanie.

Przejdźmy teraz do Pola i Objętości.

Pole całkowite prostopadłościanu

Pole obejmuje całą powierzchnię, jaką da się zobaczyć zakładając, że możemy obracać graniastosłupem jak chcemy. To tak jakbyśmy wzięli kostkę do gry: obracając ją widzimy w sumie 6 ścianek. Tak samo pudełko, mające dno, wieczko i 4 boki - ponownie 6 ścian.

Musimy policzyć powierzchnię każdej z 6 części i sumować.
Ogólny wzór na pole powierzchni graniastosłupa:

$P_c=2P_p+P_b$

Gdzie $P_p$ to pole podstawy a $P_b$ powierzchni bocznej.

Przykład:

Oblicz pole prostopadłościanu o wymiarach podstawy $a=7$ , $b=5$ i wysokości $c=10$.

Narysujmy to sobie:

Mamy wzór:

$P_c=2P_p+P_b$

Podstawą jest prostokąt o wymiarach $7x5$, więc $P_p=7×5=35$

$P_c=2×35+P_b=70+P_b$

Obliczyliśmy już dwie ściany, bo pomnożyliśmy podstawę razy dwa.

Zostały nam 4 ściany czyli $P_b$

4 ściany tworzą prostokąty, wysokość zostaje taka sama, ale podstawa się zmienia - są to prostokąty o wymiarach:

$7×10$,

$5×10$,

$7×10$,

$5×10$

No to sumujemy te pola!

$P_b=2×7×10+2×5×10=140+100=240$

Pozostaje obliczyć pole całkowite:

$P_c=2P_p+P_b=70+240=310$

Objętność prostopadłościanu

wzór ogólny na objętość prostopadłościanu to:

$V=P_p×H$

Przykład:

Oblicz objętość graniastosłupa prawidłowego trójkątnego, o podstawie równej $a=3$ oraz wysokości graniastosłupa równej $h=5$.

Rysunek:

Bierzemy wzór na objętość:

$V=P_p×H$

Wysokość już mamy, jedyną trudność stanowi znalezienia $P_p$

$P_p={a^2 √3}/4$ - wzór na pole trójkąta równobocznego, który jest w podstawie

Podstawiamy:

$P_p={3^2 √3}/4={9√3}/4$ Pozostaje policzyć objętość $V={9√3}/4×5={45√3}/4$

Ostrosłup

Ostrosłupem nazywamy taki wielościan, którego jedna ściana jest dowolnym wielokątem (podstawa), a pozostałe ściany (ściany boczne) są trójkątami o wspólnym wierzchołku.

Ostrosłupy również mogą być:

proste - wtedy każda krawędź boczna jest równej długości,
prawidłowe - wtedy podstawą jest wielokąt foremny, a jego spodek wysokości pokrywa się ze środkiem okręgu opisanego na jego podstawie. Tak jak wcześniej, wszystkie ostrosłupy prawidłowe są proste (ale nie odwrotnie).

Wysokością ostrosłupa nazywamy najkrótszy odcinek, łączący wierzchołek z płaszczyzną podstawy. Na czerwono został oznaczony kąt nachylenia krawędzi ściany do podstawy.

Pole całkowite ostrosłupa

Wzór na pole całkowite dowolnego ostrosłupa:

$P_c=P_p+P_b$

$P_p$ - pole podstawy

$P_b$ - pole boczne (czyli pole wszystkich trójkątnych ścian)

Przykład:

Oblicz pole ostrosłupa prawidłowego czworokątnego o krawędzi podstawy $a=6$ i krawędzi bocznej $l=5$.

Zacznijmy od rysunku:

Pole podstawy to pole kwadratu o boku 6cm, zatem:

$P_p=6×6=36$

Jednakże do powierzchni bocznej potrzeba nam wysokości trójkąta (ściany bocznej).

Ściana boczna w każdym ostrosłupie jest trójkątem równoramiennym.

Zatem wysokość podzieli podstawę na pół ($a/2=3$):

Więc możemy użyć twierdzenia Pitagorasa:

$(a/2)^2+h^2=c^2$

$3^2+h^2=5^2$

$9+h^2=25$

$h^2=16$

$h=4$

$h$ jest naszą wysokością

Pole powierzchni bocznej $P_b$ to 4 pola tego samego trójkąta ($P_t$).

$P_t=1/2×a×h=1/2×6×4=12$

Liczymy powierzchnie boczną

$P_b=4P_t=4×12=48$

No to pole całkowite:

$P_c=P_p+P_b$

$P_c=36+48=84$

Objętość ostrosłupa

Wzór na objętość ostrosłupa:

$V=1/3 P_p×H$

Pole podstawy będzie zazwyczaj łatwe do policzenia, gorzej z wysokością, będziemy stosować metody o których wspominałem przy kącie nachylenia (trzeba znaleźć trójkąt, którego jednym z boków jest wysokość ostrosłupa).

Przykład:

Oblicz objętość ostrosłupa prawidłowego czworokątnego o krawędzi podstawy a=2√2 oraz krawędzi ściany nachylonej do podstawy pod kątem $60°$.

Rysunek:

Teraz potrzebujemy połowy przekątnej kwadratu (podstawy):

Wzór na przekątną kwadratu o boku a to:

$a√2$

Zatem:

$a√2=2√2×√2=2×2=4$

Nasza przekątna ma długość 4, połowa to 2.

Możemy teraz skorzystać z własności trójkąta w celu policzenia wysokości:

Zatem nasza wysokość to:

$H=2√3$

A ostatecznie objętość:

$V=1/3 P_p×H=1/3 (2√2)^2×2√3=1/3×8×2√3={16√3}/3$

Zadania powtórzeniowe

Zadanie 1.

Oblicz objętość ostrosłupa prawidłowego sześciokątnego o krawędzie podstawy $a=2cm$, zaś kąt nachylenia krawędzi ściany bocznej do podstawy wynosi 60°.

Zobacz rozwiązanie

Rysunek:

Ostrosłup jest prawidłowy, więc sześciokąt w podstawie jest foremny:

Sześciokąt foremny składa się z 6 trójkątów równobocznych o wspólnym wierzchołku, co widać na rysunku (wystarczy poprowadzić 3 główne przekątne i sprawdzić, że wszystkie kąty to $60^o$):

Dlatego jasnoniebieski odcinek na rysunku poniżej ma taką samą długość co krawędź podstawy, czyli 2.

Wysokość możemy więc szybko policzyć szybko z własności trójkąta o kątach 90,60,30

Zatem nasza wysokość to:
$H=2√3$

Aby policzyć polę podstawy, jeszcze raz przeprowadźmy jej trzy główne przekątne:

Mamy 6 trójkątów równobocznych i znamy wzór na pole trójkąta równobocznego: $P_t={a^2 √3}/4$

Zatem: $P_p=6×P_t=6×{a^2 √3}/4=6×{2^2 √3}/4=6×{4√3)}/4$

$P_p=6×{4√3}/4=6√3$

Mamy pole podstawy i wysokość, więc możemy wreszcie policzyć objętość:

$V=1/3 P_p×H=1/3×6√3×2√3$

$V=1/3×12×3=12$

Zadanie 2.

Oblicz pole całkowite sześcianu o przekątnej $d=8$.

Zobacz rozwiązanie

Rysunek:

Do policzenia objętości potrzebujemy tylko boku a.

Mamy jedynie przekątną, przypomnijmy sobie jak powstała:

Zatem musimy użyć twierdzenia Pitagorasa. Wiemy, że wzór na przekątną kwadratu to:

$b=a√2$. Więc:

$a^2+b^2=c^2$

$a^2+(a√2)^2=8^2$

$a^2+2a^2=8^2$

$3a^2=64$ $|:3$

$a^2={64}/3$

$a=8/{√3}$

I usuwamy niewymierność:

$a={8√3}/3$

Pozostaje nam obliczyć pole.

W sześcianie pole składa się z 6 takich samych kwadratów, więc:

$P_c=6×a^2$

$P_c=6×{ {8√3}/3}^2$

$P_c=6×{ 64×3}/9=128$

Spis treści

Rozwiązane zadania

W trójkącie ostrokątnym DEF poprowadzono wysokości

`|angleFEN|=180^o-90^o-alpha=90^o-alpha`{premium}

Trójkąty FEN i FDM są podobne, ponieważ mają kąty o takich samych miarach: 90°-α, 90°, α (cecha kąt-kąt-kąt)

Dwa okręgi są styczne zewnętrznie

Wiemy, że promień okręgu 3 jest większy od promieni okręgów 1 i 2, bo te okręgi są styczne wewnętrznie do okręgu 3, więc są w jego środku, czyli są mniejsze.

Znamy odległości miedzy środkami okręgów, więc możemy zapisać:

Dodajmy do siebie wszystkie równania:

Na rysunku obok przedstawiono wykres funkcji

Aby otrzymać wykres funkcji g, wystarczy przesunąć wykres funkcji f o 1 jednostkę w prawo wzdłuż osi OX oraz o 3 jednostki w górę wzdłuż osi OY.

{premium}

Aby otrzymać wykres funkcji g, wystarczy przesunąć wykres funkcji f o 4 jednostki w lewo wzdłuż osi OX oraz o 2 jednostki w dół wzdłuż osi OY.

Aby otrzymać wykres funkcji g, wystarczy przesunąć wykres funkcji f o 1 jednostkę w lewo wzdłuż osi OX oraz o 1 jednostkę w dół wzdłuż osi OY.

Uporządkuj liczby w kolejności rosnącej

Zauważ, że jeśli liczbę ujemną podnosimy do potęgi parzystej, to {premium}minus znika i otrzymany wynik jest dodatni, a jeśli podnosimy ją do potęgi nieparzystej, to otrzymany wynik jest ujemny (ponieważ jeden minus "nie ma pary")

Pierwsza i trzecia z podanych liczb są dodatnie, druga i czwarta liczba są ujemne.

Przeczytaj informację w ramce

Interpretacja geometryczna wartości bezwzględnej to odległość od 0 na osi liczbowej.

Musimy zaznaczyć liczby, których odległość od 0 jest mniejsza niż 8.