17.4. Objętość i pole powierzchni graniastosłupa
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Dane są prostopadłościan$P_1$ i $P_2$ o wymiarach: $P_1: 20\ \text{cm} \times 1,5\ \text{dm} \times 8\ \text{cm}$, $P_2: 0,1\ \text{m} \times 1,8\ \text{dm} \times 15\ \text{cm}$. Który z nich ma większą objętość?
Prostopadłościan $P_2$ ma większą objętość, ponieważ jego objętość wynosi $2700 \ \text{cm}^3$, a objętość prostopadłościanu $P_1$ wynosi $2400 \ \text{cm}^3$.
Aby porównać objętości prostopadłościanów, najpierw należy przeliczyć wszystkie wymiary na wspólną jednostkę, np. centymetry.
a) Obliczenie objętości prostopadłościanu $P_1$:
Wymiary prostopadłościanu $P_1$ to $20 \ \text{cm}$, $1,5 \ \text{dm}$ i $8 \ \text{cm}$.
Przeliczamy wymiar $1,5 \ \text{dm}$ na centymetry:\[ 1,5 \ \text{dm} = 1,5 \cdot 10 \ \text{cm} = 15 \ \text{cm} \]Wzór na objętość prostopadłościanu to:\[ V = a \cdot b \cdot c \]Podstawiamy wartości i obliczamy objętość $V_1$:\[ V_1 = 20 \ \text{cm} \cdot 15 \ \text{cm} \cdot 8 \ \text{cm} \]\[ V_1 = 2400 \ \text{cm}^3 \]b) Obliczenie objętości prostopadłościanu $P_2$:
Wymiary prostopadłościanu $P_2$ to $0,1 \ \text{m}$, $1,8 \ \text{dm}$ i $15 \ \text{cm}$.
Przeliczamy wymiar $0,1 \ \text{m}$ na centymetry:\[ 0,1 \ \text{m} = 0,1 \cdot 100 \ \text{cm} = 10 \ \text{cm} \]Przeliczamy wymiar $1,8 \ \text{dm}$ na centymetry:\[ 1,8 \ \text{dm} = 1,8 \cdot 10 \ \text{cm} = 18 \ \text{cm} \]Wzór na objętość prostopadłościanu to:\[ V = a \cdot b \cdot c \]Podstawiamy wartości i obliczamy objętość $V_2$:\[ V_2 = 10 \ \text{cm} \cdot 18 \ \text{cm} \cdot 15 \ \text{cm} \]\[ V_2 = 2700 \ \text{cm}^3 \]c) Porównanie objętości:
Porównujemy objętość $V_1$ i $V_2$:\[ V_1 = 2400 \ \text{cm}^3 \]\[ V_2 = 2700 \ \text{cm}^3 \]Ponieważ $2700 \ \text{cm}^3 > 2400 \ \text{cm}^3$, prostopadłościan $P_2$ ma większą objętość.
Zadanie 2 (1 pkt)
Pole powierzchni całkowitej sześcianu jest równe 6 dm². Oblicz objętość tego sześcianu.
Objętość sześcianu wynosi $V = 1 \ \text{dm}^3$.
Najpierw obliczamy długość krawędzi sześcianu ($a$) ze wzoru na pole powierzchni całkowitej.\[ P_c = 6 \cdot a^2 \]Przekształcamy wzór, aby wyznaczyć $a$:\[ a^2 = \frac{P_c}{6} \]\[ a = \sqrt{\frac{P_c}{6}} \]Podstawiamy dane:\[ a = \sqrt{\frac{6}{6}} \]\[ a = \sqrt{1} \]\[ a = 1 \ \text{dm} \]Następnie obliczamy objętość sześcianu ($V$) ze wzoru:\[ V = a^3 \]Podstawiamy obliczoną długość krawędzi:\[ V = (1 \ \text{dm})^3 \]\[ V = 1 \ \text{dm}^3 \]
Zadanie 3 (3 pkt)
a) Oblicz objętość graniastosłupa prawidłowego sześciokątnego o krawędzi podstawy $6\text{ cm}$, którego pole powierzchni bocznej jest równe $216\text{ cm}^2$.
b) Pole powierzchni bocznej graniastosłupa prawidłowego trójkątnego jest równe sumie pól jego podstaw. Wiedząc, że krawędź podstawy ma długość $6\text{ cm}$, oblicz objętość tego graniastosłupa.
a) Objętość graniastosłupa prawidłowego sześciokątnego wynosi $324\sqrt{3}\text{ cm}^3$.
b) Objętość graniastosłupa prawidłowego trójkątnego wynosi $27\text{ cm}^3$.
a) Obliczenie wysokości graniastosłupa:\[P_b = 6 \cdot a \cdot H\]\[216 = 6 \cdot 6 \cdot H\]\[216 = 36 \cdot H\]\[H = \frac{216}{36}\]\[H = 6\text{ cm}\]Obliczenie pola podstawy:\[P_p = \frac{3 \cdot a^2 \cdot \sqrt{3}}{2}\]\[P_p = \frac{3 \cdot (6)^2 \cdot \sqrt{3}}{2}\]\[P_p = \frac{3 \cdot 36 \cdot \sqrt{3}}{2}\]\[P_p = 54\sqrt{3}\text{ cm}^2\]Obliczenie objętości:\[V = P_p \cdot H\]\[V = 54\sqrt{3} \cdot 6\]\[V = 324\sqrt{3}\text{ cm}^3\]b) Obliczenie pola podstawy:\[P_p = \frac{a^2 \cdot \sqrt{3}}{4}\]\[P_p = \frac{(6)^2 \cdot \sqrt{3}}{4}\]\[P_p = \frac{36\sqrt{3}}{4}\]\[P_p = 9\sqrt{3}\text{ cm}^2\]Wyznaczenie wysokości graniastosłupa:\[P_b = 2 \cdot P_p\]\[P_b = 3 \cdot a \cdot H\]\[2 \cdot P_p = 3 \cdot a \cdot H\]\[2 \cdot 9\sqrt{3} = 3 \cdot 6 \cdot H\]\[18\sqrt{3} = 18 \cdot H\]\[H = \frac{18\sqrt{3}}{18}\]\[H = \sqrt{3}\text{ cm}\]Obliczenie objętości:\[V = P_p \cdot H\]\[V = 9\sqrt{3} \cdot \sqrt{3}\]\[V = 9 \cdot 3\]\[V = 27\text{ cm}^3\]
Zadanie 4 (4 pkt)
a) Wysokość graniastosłupa prostego jest równa 10 cm, a jego podstawą jest trapez o bokach długości 5 cm, 5 cm, 5 cm i 9 cm. Oblicz objętość tego graniastosłupa.
b) Podstawy trapezu prostokątnego mają długości 8 cm i 16 cm, a jego kąt ostry ma miarę 45°. Oblicz objętość graniastosłupa prostego o wysokości 20 cm, którego podstawą jest ten trapez.
a) Objętość graniastosłupa wynosi $70\sqrt{21} \ \text{cm}^3$.
b) Objętość graniastosłupa wynosi $1920 \ \text{cm}^3$.
a) Obliczenie pola podstawy (trapezu):
Przyjmujemy, że trapez ma podstawy $a = 9 \ \text{cm}$ i $b = 5 \ \text{cm}$, oraz ramiona $c = 5 \ \text{cm}$.
Obliczamy długość odcinka $x$ na dłuższej podstawie:\[ x = \frac{a - b}{2} \]\[ x = \frac{9 - 5}{2} \]\[ x = \frac{4}{2} \]\[ x = 2 \ \text{cm} \]Obliczamy wysokość trapezu $h$ z twierdzenia Pitagorasa:\[ h^2 + x^2 = c^2 \]\[ h^2 + 2^2 = 5^2 \]\[ h^2 + 4 = 25 \]\[ h^2 = 21 \]\[ h = \sqrt{21} \ \text{cm} \]Obliczamy pole podstawy $P_p$:\[ P_p = \frac{(a + b) \cdot h}{2} \]\[ P_p = \frac{(9 + 5) \cdot \sqrt{21}}{2} \]\[ P_p = \frac{14 \cdot \sqrt{21}}{2} \]\[ P_p = 7\sqrt{21} \ \text{cm}^2 \]Obliczenie objętości graniastosłupa:
Wysokość graniastosłupa wynosi $H = 10 \ \text{cm}$.
Wzór na objętość graniastosłupa:\[ V = P_p \cdot H \]\[ V = 7\sqrt{21} \cdot 10 \]\[ V = 70\sqrt{21} \ \text{cm}^3 \]b) Obliczenie pola podstawy (trapezu prostokątnego):
Podstawy trapezu: $a = 16 \ \text{cm}$, $b = 8 \ \text{cm}$. Kąt ostry $\alpha = 45^\circ$.
Obliczamy różnicę długości podstaw:\[ x = a - b \]\[ x = 16 - 8 \]\[ x = 8 \ \text{cm} \]Wysokość trapezu $h$ jest równa $x$, ponieważ kąt ostry wynosi $45^\circ$:\[ h = x \]\[ h = 8 \ \text{cm} \]Obliczamy pole podstawy $P_p$:\[ P_p = \frac{(a + b) \cdot h}{2} \]\[ P_p = \frac{(16 + 8) \cdot 8}{2} \]\[ P_p = \frac{24 \cdot 8}{2} \]\[ P_p = 12 \cdot 8 \]\[ P_p = 96 \ \text{cm}^2 \]Obliczenie objętości graniastosłupa:
Wysokość graniastosłupa wynosi $H = 20 \ \text{cm}$.
Wzór na objętość graniastosłupa:\[ V = P_p \cdot H \]\[ V = 96 \cdot 20 \]\[ V = 1920 \ \text{cm}^3 \]
Zadanie 5 (5 pkt)
Podstawą graniastosłupa prostego jest trójkąt, którego dwa boki mają długości 8 i $4\sqrt{2}$, a miara kąta między nimi wynosi $45^{\circ}$. Oblicz objętość tego graniastosłupa, jeśli wiadomo, że jego pole powierzchni całkowitej jest dwa razy większe niż pole powierzchni bocznej.
Objętość graniastosłupa wynosi $V = 64\sqrt{2} - 64$.
Obliczenie pola podstawy $P_p$:\[ P_p = \frac{1}{2}ab\sin\gamma \]\[ P_p = \frac{1}{2} \cdot 8 \cdot 4\sqrt{2} \cdot \sin(45^{\circ}) \]\[ P_p = \frac{1}{2} \cdot 8 \cdot 4\sqrt{2} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} \]\[ P_p = 16 \]Obliczenie długości trzeciego boku podstawy $c$ z twierdzenia cosinusów:\[ c^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos\gamma \]\[ c^2 = 8^2 + (4\sqrt{2})^2 - 2 \cdot 8 \cdot 4\sqrt{2} \cdot \cos(45^{\circ}) \]\[ c^2 = 64 + 32 - 2 \cdot 8 \cdot 4\sqrt{2} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} \]\[ c^2 = 96 - 64 \]\[ c^2 = 32 \]\[ c = \sqrt{32} \]\[ c = 4\sqrt{2} \]Obliczenie obwodu podstawy $Ob_p$:\[ Ob_p = a + b + c \]\[ Ob_p = 8 + 4\sqrt{2} + 4\sqrt{2} \]\[ Ob_p = 8 + 8\sqrt{2} \]Wykorzystanie zależności między polem powierzchni całkowitej a polem powierzchni bocznej:\[ P_c = 2P_p + P_b \]Z warunku zadania: $P_c = 2P_b$.\[ 2P_p + P_b = 2P_b \]\[ 2P_p = P_b \]Podstawienie wzoru na pole powierzchni bocznej $P_b = Ob_p \cdot H$:\[ 2P_p = Ob_p \cdot H \]Obliczenie wysokości graniastosłupa $H$:\[ H = \frac{2P_p}{Ob_p} \]\[ H = \frac{2 \cdot 16}{8 + 8\sqrt{2}} \]\[ H = \frac{32}{8(1 + \sqrt{2})} \]\[ H = \frac{4}{1 + \sqrt{2}} \]\[ H = \frac{4(1 - \sqrt{2})}{(1 + \sqrt{2})(1 - \sqrt{2})} \]\[ H = \frac{4 - 4\sqrt{2}}{1 - (\sqrt{2})^2} \]\[ H = \frac{4 - 4\sqrt{2}}{1 - 2} \]\[ H = \frac{4 - 4\sqrt{2}}{-1} \]\[ H = 4\sqrt{2} - 4 \]Obliczenie objętości graniastosłupa $V$:\[ V = P_p \cdot H \]\[ V = 16 \cdot (4\sqrt{2} - 4) \]\[ V = 64\sqrt{2} - 64 \]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Dane są prostopadłościan$P_1$ i $P_2$ o wymiarach: $P_1: 10\ \text{cm} \times 3\ \text{dm} \times 12\ \text{cm}$, $P_2: 0,15\ \text{m} \times 0,9\ \text{dm} \times 25\ \text{cm}$. Który z nich ma większą objętość?
Prostopadłościan $P_1$ ma większą objętość, ponieważ jego objętość wynosi $3600 \ \text{cm}^3$, a objętość prostopadłościanu $P_2$ wynosi $3375 \ \text{cm}^3$.
Zadanie 2 (1 pkt)
Pole powierzchni całkowitej sześcianu jest równe 2.16 dm². Oblicz objętość tego sześcianu.
Objętość sześcianu wynosi $V = 0.216 \ \text{dm}^3$.
Zadanie 3 (3 pkt)
a) Oblicz objętość graniastosłupa prawidłowego sześciokątnego o krawędzi podstawy $2\text{ cm}$, którego pole powierzchni bocznej jest równe $48\text{ cm}^2$.
b) Pole powierzchni bocznej graniastosłupa prawidłowego trójkątnego jest równe sumie pól jego podstaw. Wiedząc, że krawędź podstawy ma długość $4\text{ cm}$, oblicz objętość tego graniastosłupa.
a) Objętość graniastosłupa prawidłowego sześciokątnego wynosi $24\sqrt{3}\text{ cm}^3$.
b) Objętość graniastosłupa prawidłowego trójkątnego wynosi $8\text{ cm}^3$.
Zadanie 4 (4 pkt)
a) Wysokość graniastosłupa prostego jest równa 8 cm, a jego podstawą jest trapez o bokach długości 6 cm, 6 cm, 6 cm i 10 cm. Oblicz objętość tego graniastosłupa.
b) Podstawy trapezu prostokątnego mają długości 10 cm i 20 cm, a jego kąt ostry ma miarę 45°. Oblicz objętość graniastosłupa prostego o wysokości 15 cm, którego podstawą jest ten trapez.
a) Objętość graniastosłupa wynosi $256\sqrt{2} \ \text{cm}^3$.
b) Objętość graniastosłupa wynosi $2250 \ \text{cm}^3$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Podstawą graniastosłupa prostego jest trójkąt, którego dwa boki mają długości 4 i 6, a miara kąta między nimi wynosi $60^{\circ}$. Oblicz objętość tego graniastosłupa, jeśli wiadomo, że jego pole powierzchni całkowitej jest dwa razy większe niż pole powierzchni bocznej.
Objętość graniastosłupa wynosi $V = 30 - 6\sqrt{7}$.
