Тела вращения, изучаемые в школе, - это цилиндр, конус и шар.
Если в задаче на ЕГЭ по математике вам надо посчитать объем конуса или площадь сферы - считайте, что повезло.
Применяйте формулы объема и площади поверхности цилиндра, конуса и шара. Все они есть в нашей таблице. Учите наизусть. Отсюда начинается знание стереометрии.
Иногда неплохо нарисовать вид сверху. Или, как в этой задаче, - снизу.
2. Во сколько раз объем конуса, описанного около правильной четырехугольной пирамиды, больше объема конуса, вписанного в эту пирамиду?
Всё просто - рисуем вид снизу. Видим, что радиус большего круга в раз больше, чем радиус меньшего. Высоты у обоих конусов одинаковы. Следовательно, объем большего конуса будет в раза больше.
Еще один важный момент. Помним, что в задачах части В вариантов ЕГЭ по математике ответ записывается в виде целого числа или конечной десятичной дроби. Поэтому никаких или у вас в ответе в части В быть не должно. Подставлять приближенное значение числа тоже не нужно! Оно обязательно должно сократиться!. Именно для этого в некоторых задачах задание формулируется, например, так: «Найдите площадь боковой поверхности цилиндра, деленную на ».
А где же еще применяются формулы объема и площади поверхности тел вращения? Конечно же, в задаче С2 (16). Мы тоже расскажем о ней.
Объём конуса выражается такой же формулой, что и объём пирамиды: V = 1 / 3 Sh ,
где V - объём конуса, S - площадь основания конуса, h - его высота.
Окончательно V = 1 / 3 πR 2 h , где R - радиус основания конуса.
Получение формулы объёма конуса можно пояснить таким рассуждением:
Пусть дан конус (рис). Впишем в него правильную пирамиду, т. е. построим внутри конуса такую пирамиду, вершина которой совпадает с вершиной конуса, а основанием служит правильный многоугольник, вписанный в основание конуса.
Объём этой пирамиды выразится формулой: V’ = 1 / 3 S’h , где V - объём пирамиды,
S’ - площадь её основания, h - высота пирамиды.
Если при этом за основание пирамиды взять многоугольник с очень большим числом сторон, то площадь основания пирамиды будет весьма мало отличаться от площади круга, а объём пирамиды - весьма мало отличаться от объёма конуса. Если, пренебречь этими различиями в размерах, то объём конуса выразится следующей формулой:
V = 1 / 3 Sh , где V - объём конуса, S - площадь основания конуса, h - высота конуса.
Заменив S через πR 2 , где R - радиус круга, получим формулу: V = 1 / 3 πR 2 h , выражающую объём конуса.
Примечание. В формуле V = 1 / 3 Sh поставлен знак точного, а не приближённого равенства, хотя на основании проведённого рассуждения мы могли бы его считать приближённым, но в старших классах средней школы доказывается, что равенство
V = 1 / 3 Sh точное, а не приближённое.
Объем произвольного конуса
Теорема. Объем произвольного конуса равен одной трети произведения площади основания на высоту, т.е.
V = 1 / 3 QH, (1)
где Q - площадь основания, а Н - высота конуса.
Рассмотрим конус с вершиной S и основанием Ф (рис.).
Пусть площадь основания Ф равна Q, а высота конуса равна Н. Тогда существуют последовательности многоугольников Ф n и Ф’ n с площадями Q n и Q’ n таких, что
Ф n ⊂ Ф n ⊂ Ф’ n и \(\lim_{n \rightarrow \infty}\) Q’ n = \(\lim_{n \rightarrow \infty}\) Q n = Q.
Очевидно, что пирамида с вершиной S и основанием Ф’ n будет вписанной в данный конус, а пирамида с вершиной S и основанием Ф n - описанной около конуса.
Объемы этих пирамид соответственно равны
V n = 1 / 3 Q n H , V’ n = 1 / 3 Q’ n H
\(\lim_{n \rightarrow \infty}\) V n = \(\lim_{n \rightarrow \infty}\) V’ n = 1 / 3 QH
то формула (1) доказана.
Следствие. Объем конуса, основанием которого является эллипс с полуосями а и b, вычисляется по формуле
V = 1 / 3 π ab H (2)
В частности, объем конуса, основанием которого является круг радиуса R, вычисляется по формуле
V = 1 / 3 π R 2 H (3)
где Н - высота конуса.
Как известно, площадь эллипса с полуосями а и b равна π ab , и поэтому формула (2) получается из (1) при Q = π ab . Если а = b = R, то получается формула (3).
Объем прямого кругового конуса
Теорема 1. Объем прямого кругового конуса с высотой Н и радиусом основания R вычисляется по формуле
V = 1 / 3 π R 2 H
Данный конус можно рассматривать как тело, полученное вращением треугольника с вершинами в точках О(0; 0),В(Н; 0), А(Н; R) вокруг оси Ох (рис.).
Треугольник ОАВ является криволинейной трапецией, соответствующей функции
у = R / H х , х ∈ . Поэтому, используя известную формулу, получаем
$$ V=\pi\int_{0}^{H}(\frac{R}{H}x)^2dx=\\=\frac{\pi R^2}{H^2}\cdot\frac{x^3}{3}\left|\begin{array}{c}H\\\\ 0\end{array}\right.=\\=\frac{1}{3}\pi R^2H $$
Следствие. Объем прямого кругового конуса равен одной трети произведения площади основания на высоту, т. е.
где Q - площадь основания , а H - высота конуса.
Теорема 2. Объем усеченного конуса с радиусами оснований r и R и высотой H вычисляется по формуле
V = 1 / 3 πH(r 2 + R 2 + r R).
Усеченный конус можно получить вращением вокруг оси Ох трапеции О ABC (рис.).
Прямая АВ проходит через точки (0; r ) и (H; R), поэтому она имеет уравнение
$$ y=\frac{R-r}{H}x + r $$
получаем
$$ V=\pi\int_{0}^{H}(\frac{R-r}{H}x + r)^2dx $$
Для вычисления интеграла сделаем замену
$$ u=\frac{R-r}{H}x + r, du=\frac{R-r}{H}dx $$
Очевидно, когда х изменяется в пределах от 0 до H, переменная и изменяется от r до R, и поэтому
$$ V=\pi\int_{r}^{R}u^2\frac{H}{R-r}du=\\=\frac{\pi H}{R-r}\cdot\frac{u^3}{3}\left|\begin{array}{c}R\\\\ r\end{array}\right.=\\=\frac{\pi H}{3(R-r)}(R^3-r^3)=\\=\frac{1}{3}\pi H(R^2 + r^2 + Rr) $$
Шар, объем которого равен 8π, вписан в куб. Найдите объем куба.
Решение
Пусть a - это сторона куба. Тогда объем куба равен V = a 3 .
Так как шар вписан в куб, то радиус шара равен половине ребра куба, т.е R = a/2 (см. рис.).
Объем шара равен V ш = (4/3)πR 3 и равен 8π, поэтому
(4/3)πR 3 = 8π,
А объем куба равен V = a 3 = (2R) 3 = 8R 3 = 8*6 = 48.
Задание B9 (Типовые варианты 2015)
Объем конуса равен 32. Через середину высоты параллельно основанию конуса проведено сечение, которое является основанием меньшего конуса с той же вершиной. Найдите объем меньшего конуса.
Решение
Рассмотрим задачи:
72353. Объем конуса равен 10. Через середину высоты параллельно основанию конуса проведено сечение, которое является основанием меньшего конуса с той же вершиной. Найдите объем меньшего конуса.
Сразу отметим, что исходный и отсечённый конус подобны и если рассматривать отсечённый конус относительно исходного, то можно сказать так: меньший конус подобен большему с коэффициентом равным одной второй или 0,5. Можем записать:
Можно было записать:
Можно было рассудить так!
Рассмотрим исходный конус относительно отсечённого. Можно сказать – больший конус подобен отсечённому с коэффициентом равным двум, запишем:
Теперь посмотрите решение без использования свойств подобия.
Объём конуса равен одной трети произведения площади его основания и высоты:
Рассмотрим боковую проекцию (вид сбоку) с указанным сечением:
Пусть радиус большего конуса равен R, высота равна Н. Сечение (основание меньшего конуса) проходит через середину высоты, значит его высота будет равна Н/2. А радиус основания равен R/2, это следует из подобия треугольников.
Запишем объём исходного конуса:
Объём отсечённого конуса будет равен:
Столь подробные решения представлены для того, чтобы вы видели как можно выстроить рассуждения. Действуйте любым способом – главное, чтобы вы понимали суть решения. Пусть путь, который вы выбрали будет не рационален, важен результат (верный результат).
Ответ: 1,25
318145. В сосуде, имеющем форму конуса, уровень жидкости достигает половину высоты. Объём жидкости равен 70 мл. Сколько миллилитров жидкости нужно долить, чтобы полностью наполнить сосуд?
Данная задача схожа с предыдущей. Хоть речь здесь и идёт о жидкости, принцип решения один и тот же.
Имеем два конуса – это сам сосуд и «малый» конус (наполненный жидкостью), они являются подобными. Известно, что объёмы подобных тел соотносятся следующим образом:
Исходный конус (сосуд) подобен конусу наполненному жидкостью с коэффициентом равным 2, так как сказано, что уровень жидкости достигает половину высоты. Можно записать подробнее:
Вычисляем:
Таким образом, долить нужно:
Другие задачи с жидкостями.
74257. Найдите объем V конуса, образующая которого равна 44 и наклонена к плоскости основания под углом 30 0 . В ответе укажите V/Пи.
Объем конуса:
Высоту конуса найдем по свойству прямоугольного треугольника.
Катет лежащий против угла 30° равен половине гипотенузы. Гипотенуза, в данном случае, является образующей конуса. Следовательно высота конуса равна 22.
Квадрат радиуса основания найдем по теореме Пифагора:
*Нам нужен квадрат радиуса, а не сам радиус.
Объём конуса. Вот мы с вами добрались до конусов и цилиндров. Ещё, кроме тех, что уже опубликованы, будет около девяти статей, рассмотрим все типы заданий. Если в течение года в открытый банк будут добавляться новые задачи, конечно же, они также будут размещены на блоге. В этой статье представлена теория, а в примеры в которых она используется. Мало знать формулу объёма конуса, кстати вот она:
Можем записать:
Для решения некоторых примеров нужно понимать как соотносятся объёмы подобных тел. Именно понимать, а не просто выучить формулу:
То есть, если мы увеличим (уменьшим) линейные размеры тела в k раз, то отношение объёма полученного тела к объёму исходного будет равно k 3 .
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Не важно как вы обозначите объёмы:
Дело в том, что в процессе решения задач при рассмотре подобных тел, у некоторых может возникает путаница с коэффициентом k. Может появиться вопрос – Чему он равен?
(в зависимости от величины указанной в условии)
Всё зависит от того, с «какой стороны» посмотреть. Важно понимать вот что! Рассмотрим на примере – дан куб, ребро второго куба в три раза больше:
В данном случае, коэффициент подобия равен трём (ребро увеличено в три раза), а значит соотношение будет выглядеть следующим образом:
То есть объём полученного (большего) куба будет в 27 раз больше.
Можно посмотреть с другой стороны.
Дан куб, ребро второго куба в три раза меньше:
Коэффициент подобия равен одной трети (уменьшение ребра в три раза), а значит соотношение будет выглядеть:
То есть объём полученного куба будет в 27 раз меньше.
Заключение! Неважны индексы при обозначении объёмов, важно понимать как тела рассматриваются относительно друг друга.
Понятно, что:
— если исходное тело увеличивается, то коэффициент будет больше единицы.
— если исходное тело уменьшается, то коэффициент будет меньше единицы.
Про отношения объёмов можно сказать следующее:
— если в задаче будем делить объём большего тела на меньший, то получим куб коэффициента подобия, при чём сам коэффициент получится больше единицы.
— если будем делить объём меньшего тела на больший, то получим куб коэффициента подобия, при чём сам коэффициент получится меньше единицы.
Самое главное это запомнить – что когда речь идёт об ОБЪЁМАХ подобных тел, то коэффициент подобия имеет ТРЕТЬЮ степень, а не вторую, как в случае с площадями.
Ещё один момент касающийся .
В условии присутствует такое понятие как образующая конуса. Это отрезок соединяющий вершину конуса с точками окружности основания (на рисунке обозначен буквой L).
Здесь стоит отметить, что разбирать задачи мы будем только с прямым конусом (далее просто конус). Образующие у прямого конуса равны
С уважением, Александр Крутицких.
P.S: Буду благодарен Вам, если расскажете о сайте в социальных сетях.
