18.3 Kula
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Oblicz pole powierzchni i objętość kuli o promieniu r.
a) $r = \frac{5}{2}$ cm
b) $r = \sqrt{5}$ cm
c) $r = 3\sqrt{3}$ cm
a) Pole powierzchni kuli wynosi $P = 25\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość $V = \frac{125}{6}\pi \ \text{cm}^3$.
b) Pole powierzchni kuli wynosi $P = 20\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość $V = \frac{20\sqrt{5}}{3}\pi \ \text{cm}^3$.
c) Pole powierzchni kuli wynosi $P = 108\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość $V = 108\sqrt{3}\pi \ \text{cm}^3$.
a) Obliczenia dla $r = \frac{5}{2}$ cm:
Obliczamy pole powierzchni kuli:\[ P = 4\pi r^2 \]\[ P = 4\pi \left(\frac{5}{2}\right)^2 \]\[ P = 4\pi \cdot \frac{25}{4} \]\[ P = 25\pi \text{ cm}^2 \]Obliczamy objętość kuli:\[ V = \frac{4}{3}\pi r^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi \left(\frac{5}{2}\right)^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi \cdot \frac{125}{8} \]\[ V = \frac{125}{6}\pi \text{ cm}^3 \]b) Obliczenia dla $r = \sqrt{5}$ cm:
Obliczamy pole powierzchni kuli:\[ P = 4\pi r^2 \]\[ P = 4\pi (\sqrt{5})^2 \]\[ P = 4\pi \cdot 5 \]\[ P = 20\pi \text{ cm}^2 \]Obliczamy objętość kuli:\[ V = \frac{4}{3}\pi r^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (\sqrt{5})^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi \cdot 5\sqrt{5} \]\[ V = \frac{20\sqrt{5}}{3}\pi \text{ cm}^3 \]c) Obliczenia dla $r = 3\sqrt{3}$ cm:
Obliczamy pole powierzchni kuli:\[ P = 4\pi r^2 \]\[ P = 4\pi (3\sqrt{3})^2 \]\[ P = 4\pi \cdot 27 \]\[ P = 108\pi \text{ cm}^2 \]Obliczamy objętość kuli:\[ V = \frac{4}{3}\pi r^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (3\sqrt{3})^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi \cdot 81\sqrt{3} \]\[ V = 108\sqrt{3}\pi \text{ cm}^3 \]
Zadanie 2 (3 pkt)
a) Kulę o promieniu $13 \text{ cm}$ przecięto płaszczyzną. Otrzymany przekrój jest kołem o środku oddalonym od środka kuli o $5 \text{ cm}$. Oblicz pole tego koła.
b) Kulę o promieniu $10 \text{ cm}$ przecięto płaszczyzną. Otrzymany przekrój jest kołem o polu równym $36\pi \text{ cm}^2$. Oblicz odległość środka tego koła od środka kuli.
a) Pole przekroju wynosi $P = 144\pi \text{ cm}^2$.
b) Odległość środka przekroju od środka kuli wynosi $d = 8 \text{ cm}$.
a) Obliczenie pola przekroju:
Promień kuli to $R = 13 \text{ cm}$, a odległość środka przekroju od środka kuli to $d = 5 \text{ cm}$. Wykorzystujemy twierdzenie Pitagorasa, aby znaleźć promień przekroju $r$:\[ r^2 = R^2 - d^2 \]\[ r^2 = (13 \text{ cm})^2 - (5 \text{ cm})^2 \]\[ r^2 = 169 \text{ cm}^2 - 25 \text{ cm}^2 \]\[ r^2 = 144 \text{ cm}^2 \]Następnie obliczamy pole koła przekroju $P$ ze wzoru:\[ P = \pi r^2 \]\[ P = \pi \cdot 144 \text{ cm}^2 \]\[ P = 144\pi \text{ cm}^2 \]b) Obliczenie odległości środka koła od środka kuli:
Promień kuli to $R = 10 \text{ cm}$, a pole przekroju wynosi $P = 36\pi \text{ cm}^2$. Najpierw obliczamy promień przekroju $r$ z pola koła:\[ P = \pi r^2 \]\[ 36\pi \text{ cm}^2 = \pi r^2 \]\[ r^2 = 36 \text{ cm}^2 \]\[ r = 6 \text{ cm} \]Następnie wykorzystujemy twierdzenie Pitagorasa, aby znaleźć odległość $d$:\[ d^2 = R^2 - r^2 \]\[ d^2 = (10 \text{ cm})^2 - (6 \text{ cm})^2 \]\[ d^2 = 100 \text{ cm}^2 - 36 \text{ cm}^2 \]\[ d^2 = 64 \text{ cm}^2 \]\[ d = 8 \text{ cm} \]
Zadanie 3 (4 pkt)
Kulę o promieniu 10 cm przecięto dwiema równoległymi płaszczyznami i otrzymano w przekrojach koła o promieniach 6 cm i 8 cm. Oblicz odległość między tymi płaszczyznami (rozpatrz dwa przypadki).
a) Odległości płaszczyzn od środka kuli wynoszą $d_1 = 8 \ \text{cm}$ oraz $d_2 = 6 \ \text{cm}$.
b) Odległość między płaszczyznami wynosi $D_1 = 14 \ \text{cm}$ lub $D_2 = 2 \ \text{cm}$.
a) Obliczenie odległości płaszczyzn od środka kuli:
Wykorzystujemy twierdzenie Pitagorasa, gdzie promień kuli $R$, promień przekroju $r$ i odległość płaszczyzny od środka kuli $d$ tworzą trójkąt prostokątny o przeciwprostokątnej $R$.
Stąd wzór na $d$:\[ d = \sqrt{R^2 - r^2} \]Dla pierwszej płaszczyzny, gdzie promień przekroju $r_1 = 6 \ \text{cm}$:\[ d_1 = \sqrt{R^2 - r_1^2} \]\[ d_1 = \sqrt{10^2 - 6^2} \]\[ d_1 = \sqrt{100 - 36} \]\[ d_1 = \sqrt{64} \]\[ d_1 = 8 \ \text{cm} \]Dla drugiej płaszczyzny, gdzie promień przekroju $r_2 = 8 \ \text{cm}$:\[ d_2 = \sqrt{R^2 - r_2^2} \]\[ d_2 = \sqrt{10^2 - 8^2} \]\[ d_2 = \sqrt{100 - 64} \]\[ d_2 = \sqrt{36} \]\[ d_2 = 6 \ \text{cm} \]b) Obliczenie odległości między płaszczyznami w dwóch przypadkach:
**Przypadek 1: Płaszczyzny znajdują się po przeciwnych stronach środka kuli.**
Odległość $D_1$ między płaszczyznami jest sumą odległości tych płaszczyzn od środka kuli.\[ D_1 = d_1 + d_2 \]\[ D_1 = 8 + 6 \]\[ D_1 = 14 \ \text{cm} \]**Przypadek 2: Płaszczyzny znajdują się po tej samej stronie środka kuli.**
Odległość $D_2$ między płaszczyznami jest bezwzględną wartością różnicy odległości tych płaszczyzn od środka kuli.\[ D_2 = |d_1 - d_2| \]\[ D_2 = |8 - 6| \]\[ D_2 = 2 \ \text{cm} \]
Zadanie 4 (2 pkt)
Oblicz pole powierzchni i objętość kuli, jeśli wiadomo, że:
a) jej średnica jest równa $8\sqrt{3}$ cm,
b) pole koła wielkiego tej kuli jest równe $16\pi$ cm$^2$,
c) obwód koła wielkiego tej kuli jest równy $6\pi$ cm.
a) Pole powierzchni kuli wynosi $192\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość to $256\sqrt{3}\pi \ \text{cm}^3$.
b) Pole powierzchni kuli wynosi $64\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość to $\frac{256\pi}{3} \ \text{cm}^3$.
c) Pole powierzchni kuli wynosi $36\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość to $36\pi \ \text{cm}^3$.
a) Wyznaczenie promienia kuli:\[ d = 2r \]\[ 8\sqrt{3} \ \text{cm} = 2r \]\[ r = \frac{8\sqrt{3}}{2} \ \text{cm} \]\[ r = 4\sqrt{3} \ \text{cm} \]Obliczenie pola powierzchni kuli:\[ A = 4\pi r^2 \]\[ A = 4\pi (4\sqrt{3} \ \text{cm})^2 \]\[ A = 4\pi (16 \cdot 3) \ \text{cm}^2 \]\[ A = 4\pi (48) \ \text{cm}^2 \]\[ A = 192\pi \ \text{cm}^2 \]Obliczenie objętości kuli:\[ V = \frac{4}{3}\pi r^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (4\sqrt{3} \ \text{cm})^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (64 \cdot 3\sqrt{3}) \ \text{cm}^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (192\sqrt{3}) \ \text{cm}^3 \]\[ V = 256\sqrt{3}\pi \ \text{cm}^3 \]b) Wyznaczenie promienia kuli:\[ A_c = \pi r^2 \]\[ 16\pi \ \text{cm}^2 = \pi r^2 \]\[ r^2 = 16 \ \text{cm}^2 \]\[ r = \sqrt{16} \ \text{cm} \]\[ r = 4 \ \text{cm} \]Obliczenie pola powierzchni kuli:\[ A = 4\pi r^2 \]\[ A = 4\pi (4 \ \text{cm})^2 \]\[ A = 4\pi (16) \ \text{cm}^2 \]\[ A = 64\pi \ \text{cm}^2 \]Obliczenie objętości kuli:\[ V = \frac{4}{3}\pi r^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (4 \ \text{cm})^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (64) \ \text{cm}^3 \]\[ V = \frac{256\pi}{3} \ \text{cm}^3 \]c) Wyznaczenie promienia kuli:\[ C_c = 2\pi r \]\[ 6\pi \ \text{cm} = 2\pi r \]\[ 2r = 6 \ \text{cm} \]\[ r = \frac{6}{2} \ \text{cm} \]\[ r = 3 \ \text{cm} \]Obliczenie pola powierzchni kuli:\[ A = 4\pi r^2 \]\[ A = 4\pi (3 \ \text{cm})^2 \]\[ A = 4\pi (9) \ \text{cm}^2 \]\[ A = 36\pi \ \text{cm}^2 \]Obliczenie objętości kuli:\[ V = \frac{4}{3}\pi r^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (3 \ \text{cm})^3 \]\[ V = \frac{4}{3}\pi (27) \ \text{cm}^3 \]\[ V = 4 \cdot 9\pi \ \text{cm}^3 \]\[ V = 36\pi \ \text{cm}^3 \]
Zadanie 5 (5 pkt)
Promień kuli jest równy promieniowi podstawy stożka. Oblicz stosunek objętości kuli do objętości stożka, którego:
a) kąt rozwarcia ma miarę 60°.
b) kąt rozwarcia ma miarę 90°.
a) Stosunek objętości kuli do objętości stożka wynosi $\frac{4\sqrt{3}}{3}$.
b) Stosunek objętości kuli do objętości stożka wynosi $4$.
Przyjmijmy promień kuli jako $R$ i promień podstawy stożka jako $r$. Zgodnie z zadaniem $R=r$. Wysokość stożka oznaczmy jako $h$.
a) Obliczenie stosunku objętości dla stożka z kątem rozwarcia $60^\circ$:
Wzory na objętość kuli $V_k$ i stożka $V_s$:\[V_k = \frac{4}{3} \pi R^3\]\[V_s = \frac{1}{3} \pi r^2 h\]Ponieważ promień kuli jest równy promieniowi podstawy stożka, $R=r$. Stosunek objętości wynosi:\[\frac{V_k}{V_s} = \frac{\frac{4}{3} \pi r^3}{\frac{1}{3} \pi r^2 h} = \frac{4r}{h}\]Kąt rozwarcia stożka wynosi $60^\circ$. Kąt $\alpha$ między tworzącą a wysokością wynosi $\alpha = \frac{60^\circ}{2} = 30^\circ$.
Z definicji tangensa:\[\tan \alpha = \frac{r}{h}\]Podstawiamy wartość kąta:\[\tan 30^\circ = \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{3}\]Stąd wynika, że:\[\frac{r}{h} = \frac{\sqrt{3}}{3} \implies h = \frac{3r}{\sqrt{3}} = r\sqrt{3}\]Podstawiamy $h = r\sqrt{3}$ do wzoru na stosunek objętości:\[\frac{V_k}{V_s} = \frac{4r}{r\sqrt{3}} = \frac{4}{\sqrt{3}} = \frac{4\sqrt{3}}{3}\]b) Obliczenie stosunku objętości dla stożka z kątem rozwarcia $90^\circ$:
Kąt rozwarcia stożka wynosi $90^\circ$. Kąt $\alpha$ między tworzącą a wysokością wynosi $\alpha = \frac{90^\circ}{2} = 45^\circ$.
Z definicji tangensa:\[\tan \alpha = \frac{r}{h}\]Podstawiamy wartość kąta:\[\tan 45^\circ = 1\]Stąd wynika, że:\[\frac{r}{h} = 1 \implies h = r\]Podstawiamy $h = r$ do wzoru na stosunek objętości:\[\frac{V_k}{V_s} = \frac{4r}{r} = 4\]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Oblicz pole powierzchni i objętość kuli o promieniu r.
a) $r = \frac{1}{2}$ cm
b) $r = \sqrt{2}$ cm
c) $r = 3\sqrt{2}$ cm
Oblicz pole powierzchni i objętość kuli o promieniu r.a) $r = \frac{1}{2}$ cmb) $r = \sqrt{2}$ cmc) $r = 3\sqrt{2}$ cm
Zadanie 2 (3 pkt)
a) Kulę o promieniu $25 \text{ cm}$ przecięto płaszczyzną. Otrzymany przekrój jest kołem o środku oddalonym od środka kuli o $24 \text{ cm}$. Oblicz pole tego koła.
b) Kulę o promieniu $8 \text{ cm}$ przecięto płaszczyzną. Otrzymany przekrój jest kołem o polu równym $28\pi \text{ cm}^2$. Oblicz odległość środka tego koła od środka kuli.
a) Pole przekroju wynosi $P = 49\pi \text{ cm}^2$.
b) Odległość środka przekroju od środka kuli wynosi $d = 6 \text{ cm}$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Kulę o promieniu 13 cm przecięto dwiema równoległymi płaszczyznami i otrzymano w przekrojach koła o promieniach 5 cm i 12 cm. Oblicz odległość między tymi płaszczyznami (rozpatrz dwa przypadki).
a) Odległości płaszczyzn od środka kuli wynoszą $d_1 = 12 \ \text{cm}$ oraz $d_2 = 5 \ \text{cm}$.
b) Odległość między płaszczyznami wynosi $D_1 = 17 \ \text{cm}$ lub $D_2 = 7 \ \text{cm}$.
Zadanie 4 (2 pkt)
Oblicz pole powierzchni i objętość kuli, jeśli wiadomo, że:
a) jej średnica jest równa $10$ cm,
b) pole koła wielkiego tej kuli jest równe $49\pi$ cm$^2$,
c) obwód koła wielkiego tej kuli jest równy $10\pi$ cm.
a) Pole powierzchni kuli wynosi $100\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość to $\frac{500\pi}{3} \ \text{cm}^3$.
b) Pole powierzchni kuli wynosi $196\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość to $\frac{1372\pi}{3} \ \text{cm}^3$.
c) Pole powierzchni kuli wynosi $100\pi \ \text{cm}^2$, a jej objętość to $\frac{500\pi}{3} \ \text{cm}^3$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Promień kuli jest równy promieniowi podstawy stożka. Oblicz stosunek objętości kuli do objętości stożka, którego:
a) kąt rozwarcia ma miarę 30°.
b) kąt rozwarcia ma miarę 150°.
a) Stosunek objętości kuli do objętości stożka wynosi $8 - 4\sqrt{3}$.
b) Stosunek objętości kuli do objętości stożka wynosi $8 + 4\sqrt{3}$.
