30.5 Podobieństwo figur w przestrzeni
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1
W pracowni stolarskiej wykonano dwa drewniane klocki w kształcie sześcianów. Objętość drugiego sześcianu wynosi \(512\text{ cm}^3\), z kolei suma pól wszystkich ścian pierwszego sześcianu jest równa \(54\text{ cm}^2\). Ustal skalę podobieństwa pierwszego sześcianu do drugiego.
\(\dfrac{3}{8}\) (lub \(0{,}375\))
Wskazówki:
- Wszystkie sześciany są figurami podobnymi. Skala podobieństwa \(k\) pierwszej bryły do drugiej to stosunek długości ich odpowiadających sobie krawędzi: \(k = \dfrac{a_1}{a_2}\).
- Sześcian posiada \(6\) przystających kwadratowych ścian o boku \(a\), zatem jego pole powierzchni całkowitej to \(P_c = 6a^2\), a objętość wynosi \(V = a^3\).
- Czego kategorycznie nie wolno robić: Nigdy nie dziel bezpośrednio wartości pola powierzchni przez objętość (np. \(54 : 512\)). Pole wyrażone jest w \(\text{cm}^2\), a objętość w \(\text{cm}^3\) – taki iloraz miałby jednostkę \(\frac{1}{\text{cm}}\) i nie ma sensu geometrycznego, podczas gdy skala podobieństwa \(k\) jest wielkością bezwymiarową, określającą stosunek wymiarów liniowych.
- Uwaga na kolejność: Zwróć uwagę na kierunek porównania w treści pytania. Szukamy skali pierwszego sześcianu do drugiego (\(k = \dfrac{a_1}{a_2}\)), a nie drugiego do pierwszego (\(\dfrac{a_2}{a_1} = \dfrac{8}{3}\)).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza geometryczna sześcianów wyjściowych:
Niech \(a_1\) oznacza długość krawędzi pierwszego sześcianu, a \(a_2\) długość krawędzi drugiego sześcianu. Dysponujemy polem powierzchni całkowitej pierwszej bryły oraz objętością drugiej bryły. -
Wyznaczenie długości krawędzi obu sześcianów:
Dla pierwszego sześcianu, znając pole powierzchni całkowitej \(P_{c1} = 54\text{ cm}^2\): $$P_{c1} = 6a_1^2$$ $$\begin{aligned} 6a_1^2 &= 54 \\[8pt] a_1^2 &= \dfrac{54}{6} \\[8pt] a_1^2 &= 9 \\[8pt] a_1 &= \sqrt{9} = 3\text{ cm} \end{aligned}$$ Dla drugiego sześcianu, znając jego objętość \(V_2 = 512\text{ cm}^3\): $$V_2 = a_2^3$$ $$\begin{aligned} a_2^3 &= 512 \\[8pt] a_2 &= \sqrt[3]{512} = 8\text{ cm} \end{aligned}$$ -
Sposób I – Wyznaczenie skali podobieństwa jako stosunku krawędzi brył:
Skala podobieństwa \(k\) pierwszego sześcianu do drugiego sześcianu jest równa stosunkowi długości ich odpowiednich krawędzi: $$k = \dfrac{a_1}{a_2}$$ Podstawiamy wyznaczone wartości \(a_1 = 3\text{ cm}\) oraz \(a_2 = 8\text{ cm}\): $$k = \dfrac{3}{8} = 0{,}375$$ -
Sposób II – Wykorzystanie własności objętości brył podobnych:
Dla pierwszego sześcianu o wyznaczonej krawędzi \(a_1 = 3\text{ cm}\) obliczamy jego objętość \(V_1\): $$V_1 = a_1^3 = 3^3 = 27\text{ cm}^3$$ Wiadomo, że stosunek objętości dwóch brył podobnych jest równy sześcianowi skali podobieństwa (\(k^3\)): $$\dfrac{V_1}{V_2} = k^3$$ $$\begin{aligned} k^3 &= \dfrac{27}{512} \\[8pt] k &= \sqrt[3]{\dfrac{27}{512}} \\[8pt] k &= \dfrac{\sqrt[3]{27}}{\sqrt[3]{512}} = \dfrac{3}{8} = 0{,}375 \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy i graficzne podsumowanie relacji brył:
Zestawienie wyliczonych wymiarów obu sześcianów wraz ze zdefiniowaną relacją podobieństwa.
Odpowiedź:
Skala podobieństwa pierwszego sześcianu do drugiego sześcianu wynosi \(\dfrac{3}{8}\) (lub \(0{,}375\)).
Skala podobieństwa pierwszego sześcianu do drugiego sześcianu wynosi \(\dfrac{3}{8}\) (lub \(0{,}375\)).
Zadanie 2
Szklana statuetka w formie ostrosłupa została przecięta na dwa elementy płaszczyzną poprowadzoną równolegle do podstawy. Cięcie to przechodzi dokładnie przez połowę wysokości całej bryły. Ustal:
a) stosunek pola powierzchni powstałego przekroju do pola podstawy statuetki,
b) stosunek objętości odciętego mniejszego ostrosłupa do objętości powstałego ostrosłupa ściętego.
a) stosunek pola powierzchni powstałego przekroju do pola podstawy statuetki,
b) stosunek objętości odciętego mniejszego ostrosłupa do objętości powstałego ostrosłupa ściętego.
a) \(\dfrac{1}{4}\) (czyli \(1 : 4\))
b) \(\dfrac{1}{7}\) (czyli \(1 : 7\))
b) \(\dfrac{1}{7}\) (czyli \(1 : 7\))
Wskazówki:
- Płaszczyzna równoległa do podstawy ostrosłupa odcina od niego mniejszy ostrosłup, który jest bryłą geometrycznie podobną do całego ostrosłupa wyjściowego.
- Skala podobieństwa brył \(k\) to stosunek dowolnych odpowiadających sobie odcinków liniowych, w szczególności wysokości obu ostrosłupów: \(k = \dfrac{h_1}{H}\).
- Uwaga na typowy błąd w podpunkcie a): Uczniowie często przyjmują, że skoro wysokość odciętego ostrosłupa jest \(2\) razy mniejsza, to pole przekroju jest również \(2\) razy mniejsze od pola podstawy. To błąd: stosunek pól figur podobnych jest równy kwadratowi skali podobieństwa (\(k^2\)), a nie samej skali liniowej.
- Uwaga na typowy błąd w podpunkcie b): Częstym błędem jest podanie wyniku \(1 : 8\). Wartość \(\frac{1}{8}\) (\(k^3 = \frac{1}{8}\)) określa stosunek objętości małego ostrosłupa do objętości całego ostrosłupa. Polecenie wymaga natomiast porównania objętości dwóch powstałych brył (górnej do dolnej). Dolna bryła stanowi dopełnienie: \(V_2 = V - \frac{1}{8}V = \frac{7}{8}V\), stąd ich wzajemny stosunek to \(1 : 7\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i ustalenie skali podobieństwa brył:
Płaszczyzna równoległa do podstawy ostrosłupa o wysokości \(H\) przechodzi przez środek tej wysokości, czyli odcina górny ostrosłup o wysokości: $$h_1 = \dfrac{1}{2}H$$Odcięty ostrosłup jest bryłą podobną do wyjściowego ostrosłupa. Skala podobieństwa \(k\) (jako stosunek odpowiednich wymiarów liniowych) wynosi: $$k = \dfrac{h_1}{H} = \dfrac{\frac{1}{2}H}{H} = \dfrac{1}{2}$$ -
a) Wyznaczenie stosunku pola przekroju do pola podstawy:
Przekrój ostrosłupa płaszczyzną równoległą do podstawy jest wielokątem podobnym do wielokąta podstawy w tej samej skali \(k = \dfrac{1}{2}\).
Zgodnie z podstawowym twierdzeniem stereometrii, stosunek pól dwóch figur płaskich podobnych jest równy kwadratowi skali podobieństwa: $$\dfrac{P_{\text{przekroju}}}{P_{\text{podstawy}}} = k^2$$ Podstawiamy wartość skali \(k = \dfrac{1}{2}\): $$\begin{aligned} \dfrac{P_{\text{przekroju}}}{P_{\text{podstawy}}} &= \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 \\[8pt] &= \dfrac{1}{4} \end{aligned}$$ Pole przekroju stanowi zatem \(\dfrac{1}{4}\) pola podstawy (stosunek ten wynosi \(1 : 4\)). -
b) Wyznaczenie stosunku objętości obu otrzymanych brył:
Stosunek objętości brył podobnych jest równy trzeciej potędze (sześcianowi) skali ich podobieństwa. Objętość odciętego górnego ostrosłupa \(V_1\) w relacji do objętości całego ostrosłupa \(V\) wynosi: $$\begin{aligned} \dfrac{V_1}{V} &= k^3 \\[8pt] &= \left(\dfrac{1}{2}\right)^3 \\[8pt] &= \dfrac{1}{8} \end{aligned}$$ Objętość odciętego ostrosłupa stanowi więc \(\dfrac{1}{8}\) objętości całej początkowej bryły: $$V_1 = \dfrac{1}{8}V$$ Druga powstała bryła to ostrosłup ścięty (dolna część). Jej objętość \(V_2\) otrzymujemy, odejmując objętość odciętego wierzchołka od objętości całego ostrosłupa: $$\begin{aligned} V_2 &= V - V_1 \\[8pt] &= V - \dfrac{1}{8}V \\[8pt] &= \dfrac{7}{8}V \end{aligned}$$Obliczamy stosunek objętości odciętego ostrosłupa do objętości powstałego ostrosłupa ściętego: $$\begin{aligned} \dfrac{V_1}{V_2} &= \dfrac{\frac{1}{8}V}{\frac{7}{8}V} \\[8pt] &= \dfrac{1}{8} \cdot \dfrac{8}{7} \\[8pt] &= \dfrac{1}{7} \end{aligned}$$ Stosunek objętości obu brył wynosi zatem \(1 : 7\) (bądź \(7 : 1\), gdybyśmy rozpatrywali stosunek bryły dolnej do górnej).
Odpowiedź:
a) \(\dfrac{1}{4}\) (czyli \(1 : 4\))
b) \(\dfrac{1}{7}\) (czyli \(1 : 7\))
a) \(\dfrac{1}{4}\) (czyli \(1 : 4\))
b) \(\dfrac{1}{7}\) (czyli \(1 : 7\))
Zadanie 3
Model dekoracyjnej bryły w kształcie ostrosłupa charakteryzuje się polem podstawy równym \(960\text{ cm}^2\) oraz wysokością mierzącą \(36\text{ cm}\). Ostrosłup ten rozcięto płaszczyzną równoległą do podstawy, uzyskując przekrój o polu powierzchni \(60\text{ cm}^2\).
a) W jakiej odległości od podstawy bryły poprowadzono tę płaszczyznę przekroju?
b) Wyznacz objętość mniejszego ostrosłupa odciętego przez tę płaszczyznę.
a) W jakiej odległości od podstawy bryły poprowadzono tę płaszczyznę przekroju?
b) Wyznacz objętość mniejszego ostrosłupa odciętego przez tę płaszczyznę.
a) \(27\text{ cm}\)
b) \(180\text{ cm}^3\)
b) \(180\text{ cm}^3\)
Wskazówki:
- Płaszczyzna równoległa do podstawy ostrosłupa odcina od niego bryłę podobną – mniejszy ostrosłup, którego podstawa pokrywa się z otrzymanym przekrojem.
- Stosunek pól powierzchni figur podobnych (przekroju do podstawy) jest równy kwadratowi skali podobieństwa: \(\dfrac{P_{pr}}{P_p} = k^2\).
- Wszystkie odcinki liniowe odciętego ostrosłupa (w tym jego wysokość \(h_o\)) są pomniejszone w skali \(k\), czyli \(h_o = k \cdot H\).
- Uwaga na typowy błąd: Powszechnym błędem jest przyrównanie stosunku wysokości bezpośrednio do stosunku pól, czyli zapisanie \(\frac{h_o}{H} = \frac{P_{pr}}{P_p}\). Jest to kategorycznie niedozwolone, ponieważ pole powierzchni jest wielkością dwuwymiarową (\(\text{cm}^2\)), a wysokość jednowymiarową (\(\text{cm}\)). Stosunek pól wynosi \(k^2\), zatem skalę podobieństwa \(k\) musimy wyznaczyć przez spierwiastkowanie ilorazu pól. Ponadto należy uważać na treść pytania w podpunkcie a): szukana odległość przekroju od podstawy to \(d = H - h_o\), a nie sama wysokość odciętego ostrosłupa \(h_o\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza geometrii przekroju:
Rozważmy ostrosłup o wysokości \(H = 36\text{ cm}\) i polu podstawy \(P_p = 960\text{ cm}^2\). Płaszczyzna równoległa do podstawy dzieli wysokość całego ostrosłupa na dwa odcinki: wysokość odciętego małego ostrosłupa \(h_o\) (mierzona od wierzchołka bryły do przekroju) oraz odległość płaszczyzny przekroju od podstawy \(d\) (mierzona od przekroju do podstawy). Zależność między nimi wynosi: $$H = h_o + d \implies d = H - h_o$$ -
a) Wyznaczamy skalę podobieństwa oraz odległość płaszczyzny przekroju od podstawy:
Ostrosłup odcięty jest bryłą podobną do ostrosłupa wyjściowego w pewnej skali \(k > 0\). Stosunek pól odpowiadających sobie figur płaskich (podstaw obu ostrosłupów) jest równy kwadratowi skali podobieństwa: $$\begin{aligned} k^2 &= \dfrac{P_{pr}}{P_p} \\[8pt] k^2 &= \dfrac{60}{960} \\[8pt] k^2 &= \dfrac{1}{16} \end{aligned}$$ Wyznaczamy skalę liniową \(k\): $$k = \sqrt{\dfrac{1}{16}} = \dfrac{1}{4}$$ Wysokość odciętego ostrosłupa \(h_o\) stanowi więc \(\dfrac{1}{4}\) wysokości całej bryły \(H\): $$\begin{aligned} h_o &= k \cdot H \\[8pt] &= \dfrac{1}{4} \cdot 36 \\[8pt] &= 9\text{ cm} \end{aligned}$$ Obliczamy odległość płaszczyzny przekroju od płaszczyzny podstawy: $$\begin{aligned} d &= H - h_o \\[8pt] &= 36 - 9 \\[8pt] &= 27\text{ cm} \end{aligned}$$ -
b) Obliczamy objętość odciętego ostrosłupa:
Zadanie to możemy rozwiązać dwoma równorzędnymi sposobami.
Sposób I – Bezpośrednie zastosowanie wzoru na objętość ostrosłupa:
Znając pole podstawy odciętej bryły (\(P_{pr} = 60\text{ cm}^2\)) oraz jej wysokość (\(h_o = 9\text{ cm}\)), korzystamy z klasycznego wzoru na objętość ostrosłupa: $$\begin{aligned} V_o &= \dfrac{1}{3} \cdot P_{pr} \cdot h_o \\[8pt] &= \dfrac{1}{3} \cdot 60 \cdot 9 \\[8pt] &= 20 \cdot 9 \\[8pt] &= 180\text{ cm}^3 \end{aligned}$$
Sposób II – Wykorzystanie stosunku objętości brył podobnych (\(k^3\)):
Stosunek objętości brył podobnych jest równy sześcianowi skali podobieństwa (\(k^3\)). Wyznaczamy najpierw objętość wyjściowego (całego) ostrosłupa \(V\): $$\begin{aligned} V &= \dfrac{1}{3} \cdot P_p \cdot H \\[8pt] &= \dfrac{1}{3} \cdot 960 \cdot 36 \\[8pt] &= 960 \cdot 12 \\[8pt] &= 11520\text{ cm}^3 \end{aligned}$$ Następnie obliczamy objętość odciętego ostrosłupa ze skali podobieństwa: $$\begin{aligned} V_o &= k^3 \cdot V \\[8pt] &= \left(\dfrac{1}{4}\right)^3 \cdot 11520 \\[8pt] &= \dfrac{1}{64} \cdot 11520 \\[8pt] &= 180\text{ cm}^3 \end{aligned}$$ Oba sposoby prowadzą do identycznego rezultatu.
Odpowiedź:
a) \(27\text{ cm}\)
b) \(180\text{ cm}^3\)
a) \(27\text{ cm}\)
b) \(180\text{ cm}^3\)
Zadanie 4
W pracowni modelarskiej zaprojektowano element w kształcie stożka. Zaplanowano przecięcie bryły płaszczyzną równoległą do jej podstawy w taki sposób, aby otrzymany kołowy przekrój miał pole powierzchni o \(64\%\) mniejsze od pola podstawy całego stożka. Wyznacz stosunek, w jakim powstały przekrój dzieli objętość tej bryły.
Płaszczyzna przekroju dzieli objętość stożka w stosunku \(27 : 98\) (licząc od wierzchołka bryły) lub \(98 : 27\) (licząc od podstawy).
Wskazówki:
- Przekrój płaszczyzną równoległą do podstawy odcina od bryły mniejszy stożek, który jest bryłą geometrycznie podobną do stożka wyjściowego. Stosunek pól powierzchni figur podobnych wynosi \(k^2\), natomiast stosunek ich objętości wynosi \(k^3\), gdzie \(k\) to liniowa skala podobieństwa.
- Czego kategorycznie nie wolno robić (Błąd 1): Nigdy nie przyjmuj, że stosunek objętości brył jest równy stosunkowi pól ich podstaw! Założenie, że odcięty stożek stanowi \(36\%\) objętości całego stożka, jest kardynalnym błędem. Pole rośnie w drugiej potędze wymiaru liniowego (\(k^2\)), a objętość w trzeciej potędze (\(k^3\)). Należy najpierw wyznaczyć skalę liniową \(k = \sqrt{\dfrac{P_{przekr}}{P_p}}\), a dopiero potem podnieść ją do potęgi trzeciej.
- Czego kategorycznie nie wolno robić (Błąd 2): Pytanie dotyczy tego, w jakim stosunku przekrój dzieli objętość bryły. Oznacza to porównanie objętości części górnej (odciętego małego stożka \(V_1\)) do części dolnej (stożka ściętego \(V_2 = V - V_1\)), a nie części do całości (\(V_1 : V\)). Podanie stosunku \(\dfrac{V_1}{V}\) zamiast \(\dfrac{V_1}{V_2}\) jest częstym błędem nieuwagi.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza własności podobieństwa brył:
Niech \(P_p\) oznacza pole koła podstawy stożka, a \(P_{przekr}\) pole kołowego przekroju. Przekrój płaszczyzną równoległą do podstawy dzieli wyjściowy stożek o objętości \(V\) na dwie części: mały stożek przy wierzchołku o objętości \(V_1\) oraz stożek ścięty przy podstawie o objętości \(V_2\), przy czym zachodzi relacja \(V = V_1 + V_2\). -
Wyznaczenie skali podobieństwa brył \(k\):
Z treści zadania wynika, że pole przekroju jest o \(64\%\) mniejsze od pola podstawy: $$\begin{aligned} P_{przekr} &= P_p - 0{,}64 P_p \\[8pt] &= 0{,}36 P_p \end{aligned}$$ Ponieważ przekrój jest figurą podobną do podstawy, stosunek ich pól jest równy kwadratowi skali podobieństwa \(k\) odciętego małego stożka do stożka wyjściowego: $$\begin{aligned} k^2 &= \dfrac{P_{przekr}}{P_p} \\[8pt] &= \dfrac{0{,}36 P_p}{P_p} = 0{,}36 = \dfrac{36}{100} = \dfrac{9}{25} \end{aligned}$$ Skala podobieństwa jako wielkość geometryczna musi być dodatnia (\(k > 0\)), zatem pierwiastkujemy obie strony: $$k = \sqrt{\dfrac{9}{25}} = \dfrac{3}{5} = 0{,}6$$ -
Wyznaczenie objętości obu części stożka i ich stosunku:
Stosunek objętości brył podobnych jest równy sześcianowi skali podobieństwa. Obliczamy stosunek objętości odciętego stożka \(V_1\) do objętości całego stożka \(V\): $$\begin{aligned} \dfrac{V_1}{V} &= k^3 \\[8pt] &= \left(\dfrac{3}{5}\right)^3 = \dfrac{27}{125} \end{aligned}$$ Oznacza to, że mały stożek stanowi: $$V_1 = \dfrac{27}{125} V$$ Objętość dolnej części bryły (stożka ściętego) \(V_2\) stanowi dopełnienie do całości: $$\begin{aligned} V_2 &= V - V_1 \\[8pt] &= V - \dfrac{27}{125} V \\[8pt] &= \dfrac{98}{125} V \end{aligned}$$ Wyznaczamy stosunek, w jakim płaszczyzna dzieli objętość bryły, dzieląc \(V_1\) przez \(V_2\): $$\begin{aligned} \dfrac{V_1}{V_2} &= \dfrac{\dfrac{27}{125} V}{\dfrac{98}{125} V} \\[8pt] &= \dfrac{27}{98} \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy i interpretacja podziału bryły:
Otrzymany wynik oznacza, że gdy podzielimy całą bryłę na \(125\) równych jednostek objętościowych, to górny stożek zajmie \(27\) takich jednostek, natomiast dolny stożek ścięty zajmie pozostałe \(98\) jednostek.
Odpowiedź:
Przekrój dzieli objętość stożka w stosunku \(27 : 98\) (stosunek odciętego stożka do powstałego stożka ściętego) lub odwrotnie \(98 : 27\).
Przekrój dzieli objętość stożka w stosunku \(27 : 98\) (stosunek odciętego stożka do powstałego stożka ściętego) lub odwrotnie \(98 : 27\).
Zadanie 5
W zakładzie obróbki skrawaniem z metalowego odlewu w kształcie stożka wytoczono detal złożony z walca oraz małego stożka, którego podstawa pokrywa się z górną podstawą walca. Kąty rozwarcia małego stożka oraz wyjściowego odlewu są jednakowe, a całkowita wysokość gotowego detalu jest równa wysokości początkowego stożka (zobacz rysunek). Promień podstawy wytoczonego walca stanowi \(\dfrac{3}{4}\) promienia podstawy początkowego stożka. Oblicz, jaką część objętości wyjściowego odlewu stanowią wióry metalowe powstałe podczas toczenia.
Wióry metalowe stanowią \(\dfrac{5}{32}\) objętości początkowego odlewu.
Wskazówki:
- Rozważ przekrój osiowy całego układu. Zauważ, że mały stożek i wyjściowy stożek mają wspólny wierzchołek, taką samą oś symetrii oraz identyczny kąt rozwarcia, co oznacza, że są to bryły podobne w skali \(k = \dfrac{r}{R} = \dfrac{3}{4}\).
- Stosunek objętości brył podobnych jest równy sześcianowi skali podobieństwa: \(\dfrac{V_m}{V_0} = k^3\).
- Wysokość walca \(h_w\) to różnica między całkowitą wysokością \(H\) a wysokością małego stożka \(h_m\), czyli \(h_w = H - h_m\).
- Uwaga na typowe błędy dydaktyczne:
- Kategorycznie nie wolno przyjmować, że wysokość walca jest równa wysokości małego stożka (\(h_w = h_m = \dfrac{1}{2}H\)). Wysokość małego stożka wynika wprost z warunku podobieństwa i kąta rozwarcia – zmiana jego wysokości przy ustalonym promieniu zmieniłaby kąt rozwarcia, co byłoby sprzeczne z treścią zadania.
- Nie wolno stosować skali podobieństwa do obliczania objętości walca. Walec nie jest bryłą podobną do stożka; jego objętość należy wyznaczyć bezpośrednio ze wzoru \(V_w = \pi r^2 h_w\).
- Niedozwolone jest odejmowanie samych promieni \(\left(\dfrac{R - r}{R}\right)\) jako miary ubytku objętości, ponieważ objętość zależy trójwymiarowo od iloczynu pola podstawy i wysokości.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Analiza przekroju osiowego i sporządzenie rysunku pomocniczego:
Przekrój osiowy początkowego stożka tworzy trójkąt równoramienny \(ABC\) o podstawie \(|AB| = 2R\) i wysokości \(|CS_0| = H\). Wewnątrz tego trójkąta znajduje się przekrój wytoczonego detalu: prostokąt o podstawie \(2r\) i wysokości \(h_w\) (przekrój walca) oraz trójkąt równoramienny o podstawie \(2r\) i wysokości \(h_m\) (przekrój małego stożka).
Z treści zadania wynika, że promień podstawy walca wynosi: $$r = \dfrac{3}{4}R$$ Ponieważ kąt rozwarcia przy wierzchołku \(C\) jest wspólny dla małego stożka i stożka wyjściowego, trójkąt przekroju małego stożka jest podobny do trójkąta przekroju całego stożka na mocy cechy kąt-kąt-kąt. -
Wyznaczenie wysokości małego stożka \(h_m\) oraz wysokości walca \(h_w\):
Z podobieństwa odpowiednich trójkątów prostokątnych w przekroju osiowym wynika proporcja: $$\begin{aligned} \dfrac{h_m}{r} &= \dfrac{H}{R} \\[8pt] h_m &= \dfrac{r}{R} \cdot H \end{aligned}$$ Podstawiając zależność \(r = \dfrac{3}{4}R\), otrzymujemy: $$h_m = \dfrac{3}{4}H$$ Ponieważ całkowita wysokość wykonanego detalu jest równa wysokości wyjściowego stożka \(H\), wysokość części cylindrycznej (walca) wynosi: $$\begin{aligned} h_w &= H - h_m \\[8pt] &= H - \dfrac{3}{4}H \\[8pt] &= \dfrac{1}{4}H \end{aligned}$$ -
Sposób I – Zastosowanie skali podobieństwa brył i porównanie udziałów objętości:
Objętość początkowego stożka oznaczamy przez \(V_0\).
Mały stożek jest bryłą podobną do stożka wyjściowego w skali podobieństwa \(k = \dfrac{r}{R} = \dfrac{3}{4}\). Stosunek ich objętości jest równy sześcianowi skali podobieństwa: $$\begin{aligned} \dfrac{V_m}{V_0} &= k^3 \\[8pt] &= \left(\dfrac{3}{4}\right)^3 \\[8pt] &= \dfrac{27}{64} \end{aligned}$$ Stąd objętość małego stożka stanowi: $$V_m = \dfrac{27}{64}V_0$$ Objętość walca \(V_w = \pi r^2 h_w\) porównujemy z objętością wyjściowego stożka \(V_0 = \dfrac{1}{3}\pi R^2 H\): $$\begin{aligned} \dfrac{V_w}{V_0} &= \dfrac{\pi r^2 h_w}{\dfrac{1}{3}\pi R^2 H} \\[8pt] &= 3 \cdot \left(\dfrac{r}{R}\right)^2 \cdot \left(\dfrac{h_w}{H}\right) \\[8pt] &= 3 \cdot \left(\dfrac{3}{4}\right)^2 \cdot \dfrac{1}{4} \\[8pt] &= 3 \cdot \dfrac{9}{16} \cdot \dfrac{1}{4} \\[8pt] &= \dfrac{27}{64} \end{aligned}$$ Zatem objętość walca wynosi: $$V_w = \dfrac{27}{64}V_0$$ Łączna objętość wytoczonego detalu \(V_b\) jest sumą objętości walca i małego stożka: $$\begin{aligned} V_b &= V_m + V_w \\[8pt] &= \dfrac{27}{64}V_0 + \dfrac{27}{64}V_0 \\[8pt] &= \dfrac{54}{64}V_0 = \dfrac{27}{32}V_0 \end{aligned}$$ Objętość wiórów metalowych \(V_{odp}\) stanowi resztę materiału: $$\begin{aligned} V_{odp} &= V_0 - V_b \\[8pt] &= V_0 - \dfrac{27}{32}V_0 \\[8pt] &= \dfrac{5}{32}V_0 \end{aligned}$$ -
Sposób II – Bezpośrednie obliczenia algebraiczne z uzmiennieniem przez \(R\) oraz \(H\):
Wprowadzamy standardowe wzory stereometryczne:
Objętość początkowego stożka: $$V_0 = \dfrac{1}{3}\pi R^2 H$$ Objętość małego stożka po podstawieniu \(r = \dfrac{3}{4}R\) oraz \(h_m = \dfrac{3}{4}H\): $$\begin{aligned} V_m &= \dfrac{1}{3}\pi r^2 h_m \\[8pt] &= \dfrac{1}{3}\pi \left(\dfrac{3}{4}R\right)^2 \left(\dfrac{3}{4}H\right) \\[8pt] &= \dfrac{1}{3}\pi \cdot \dfrac{9}{16}R^2 \cdot \dfrac{3}{4}H \\[8pt] &= \dfrac{9}{64}\pi R^2 H \end{aligned}$$ Objętość walca po podstawieniu \(r = \dfrac{3}{4}R\) oraz \(h_w = \dfrac{1}{4}H\): $$\begin{aligned} V_w &= \pi r^2 h_w \\[8pt] &= \pi \left(\dfrac{3}{4}R\right)^2 \left(\dfrac{1}{4}H\right) \\[8pt] &= \pi \cdot \dfrac{9}{16}R^2 \cdot \dfrac{1}{4}H \\[8pt] &= \dfrac{9}{64}\pi R^2 H \end{aligned}$$ Całkowita objętość gotowego detalu: $$V_b = V_m + V_w = \dfrac{9}{64}\pi R^2 H + \dfrac{9}{64}\pi R^2 H = \dfrac{18}{64}\pi R^2 H = \dfrac{9}{32}\pi R^2 H$$ Sprowadzamy \(V_0\) i \(V_b\) do wspólnego mianownika \(96\): $$\begin{aligned} V_0 &= \dfrac{32}{96}\pi R^2 H \\[8pt] V_b &= \dfrac{27}{96}\pi R^2 H \end{aligned}$$ Objętość powstałych wiórów wynosi: $$V_{odp} = V_0 - V_b = \dfrac{32}{96}\pi R^2 H - \dfrac{27}{96}\pi R^2 H = \dfrac{5}{96}\pi R^2 H$$ Dzielimy objętość wiórów przez objętość początkową stożka: $$\dfrac{V_{odp}}{V_0} = \dfrac{\dfrac{5}{96}\pi R^2 H}{\dfrac{1}{3}\pi R^2 H} = \dfrac{5}{96} \cdot \dfrac{3}{1} = \dfrac{5}{32}$$
Odpowiedź:
Wióry metalowe stanowią \(\dfrac{5}{32}\) objętości początkowego odlewu.
Wióry metalowe stanowią \(\dfrac{5}{32}\) objętości początkowego odlewu.
Grupa B
Zadanie 1
Dwa szklane pojemniki na biżuterię mają kształt sześcianów. Całkowite pole powierzchni pierwszego pojemnika wynosi \(96\text{ cm}^2\), a pojemność (objętość) drugiego pojemnika jest równa \(125\text{ cm}^3\). Wyznacz skalę podobieństwa pierwszego pojemnika do drugiego.
\(\dfrac{4}{5}\) (lub \(0{,}8\))
Zadanie 2
Drewniany model pawilonu wystawowego w kształcie ostrosłupa rozcięto na dwa segmenty płaszczyzną równoległą do jego podstawy. Płaszczyzna tego cięcia dzieli wysokość bryły w stosunku \(1 : 2\), licząc od wierzchołka ku podstawie. Oblicz:
a) stosunek pola powierzchni otrzymanego przekroju do pola podstawy makiety,
b) stosunek objętości mniejszej odciętej bryły do objętości pozostałego ostrosłupa ściętego.
a) stosunek pola powierzchni otrzymanego przekroju do pola podstawy makiety,
b) stosunek objętości mniejszej odciętej bryły do objętości pozostałego ostrosłupa ściętego.
a) \(\dfrac{1}{9}\) (czyli \(1 : 9\))
b) \(\dfrac{1}{26}\) (czyli \(1 : 26\))
b) \(\dfrac{1}{26}\) (czyli \(1 : 26\))
Zadanie 3
Płaskorzeźbiony odlew w formie ostrosłupa ma podstawę o polu powierzchni wynoszącym \(1000\text{ cm}^2\) oraz wysokość równą \(45\text{ cm}\). Bryłę przecięto płaszczyzną równoległą do jej podstawy w taki sposób, że pole otrzymanego przekroju jest równe \(40\text{ cm}^2\).
a) Ustal odległość, w jakiej od płaszczyzny podstawy znajduje się płaszczyzna wykonanego przekroju.
b) Oblicz objętość ostrosłupa odciętego przez tę płaszczyznę.
a) Ustal odległość, w jakiej od płaszczyzny podstawy znajduje się płaszczyzna wykonanego przekroju.
b) Oblicz objętość ostrosłupa odciętego przez tę płaszczyznę.
a) \(36\text{ cm}\)
b) \(120\text{ cm}^3\)
b) \(120\text{ cm}^3\)
Zadanie 4
W pracowni szklarskiej odlano dekoracyjny przycisk do papieru w kształcie pełnego stożka. Poprowadzono przez bryłę płaszczyznę cięcia równoległą do jej podstawy, uzyskując kołowy przekrój o polu powierzchni o \(75\%\) mniejszym od pola podstawy tego stożka. W jakim stosunku wykonane cięcie podzieliło objętość całego stożka?
Płaszczyzna przekroju dzieli objętość stożka w stosunku \(1 : 7\) (licząc od wierzchołka ku podstawie) lub \(7 : 1\) (licząc od podstawy ku wierzchołkowi).
Zadanie 5
W pracowni rzeźbiarskiej z gipsowej bryły o kształcie stożka wycięto ozdobną kolumnę zwieńczoną szpicem. Otrzymana rzeźba składa się z walca oraz ustawionego na nim małego stożka o identycznym promieniu podstawy. Kąt rozwarcia małego stożka jest taki sam jak kąt rozwarcia początkowej bryły, a całkowita wysokość wykonanej rzeźby odpowiada wysokości wyjściowego stożka (zobacz rysunek). Stosunek promienia podstawy początkowego stożka do promienia podstawy walca wynosi \(5 : 3\). Ustal, jaką część objętości wyjściowej bryły gipsowej stanowi gips odcięty podczas pracy rzeźbiarza.
Odcięty materiał stanowi \(\dfrac{44}{125}\) objętości początkowej bryły.
