29.8 Siatka wielościanu. Pole powierzchni wielościanu
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (1 pkt)
Przekątna sześcianu ma długość $9$ cm. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego sześcianu.
Pole powierzchni całkowitej sześcianu wynosi $162 \ \text{cm}^2$.
Niech $a$ oznacza długość krawędzi sześcianu, $d$ długość przekątnej jednej ze ścian, a $D$ długość przekątnej sześcianu. Z treści zadania wiemy, że $D = 9 \ \text{cm}$.
Najpierw znajdziemy zależność między długością krawędzi sześcianu $a$ a długością przekątnej jego ściany $d$. Ściana sześcianu jest kwadratem o boku $a$. Z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta prostokątnego utworzonego przez dwie krawędzie i przekątną ściany mamy:\[d^2 = a^2 + a^2 = 2a^2\]\[d = a\sqrt{2}\]Następnie znajdziemy zależność między przekątną sześcianu $D$, krawędzią $a$ i przekątną ściany $d$. Przekątna sześcianu, krawędź sześcianu i przekątna ściany tworzą trójkąt prostokątny. Zastosujemy ponownie twierdzenie Pitagorasa:\[D^2 = a^2 + d^2\]Podstawiając $d^2 = 2a^2$ do powyższego równania, otrzymujemy:\[D^2 = a^2 + 2a^2 = 3a^2\]\[D = a\sqrt{3}\]Teraz możemy obliczyć długość krawędzi $a$, korzystając z podanej długości przekątnej sześcianu $D = 9 \ \text{cm}$:\[9 = a\sqrt{3}\]\[a = \frac{9}{\sqrt{3}} = \frac{9\sqrt{3}}{3} = 3\sqrt{3} \ \text{cm}\]Pole powierzchni całkowitej sześcianu ($P_c$) składa się z $6$ identycznych kwadratowych ścian. Pole jednej ściany ($P_s$) wynosi $a^2$. Zatem:\[P_c = 6 \cdot P_s = 6a^2\]Podstawiamy obliczoną wartość $a$:\[P_c = 6 \cdot (3\sqrt{3})^2 = 6 \cdot (9 \cdot 3) = 6 \cdot 27 = 162 \ \text{cm}^2\]
Zadanie 2 (4 pkt)
Podstawą prostopadłościanu jest kwadrat. Przekątna ściany bocznej ma długość $10\sqrt{3}$ cm. Kąt między tą przekątną i przekątną prostopadłościanu, wychodzącymi z tego samego wierzchołka ma miarę $30^\circ$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego prostopadłościanu.
Pole powierzchni całkowitej wynosi $200(1 + 2\sqrt{2}) \ \text{cm}^2$.
Oznaczmy długość krawędzi podstawy jako $a$, a wysokość prostopadłościanu jako $H$. Przekątna ściany bocznej to $d_s = 10\sqrt{3}$ cm, a kąt między $d_s$ a przekątną prostopadłościanu to $\alpha = 30^\circ$.
Przekątna ściany bocznej $d_s$, krawędź podstawy $a$ oraz przekątna prostopadłościanu $d$ tworzą trójkąt prostokątny. Krawędź podstawy $a$ jest przyprostokątną leżącą naprzeciw kąta $\alpha$, a przekątna ściany bocznej $d_s$ jest drugą przyprostokątną.
Z definicji funkcji tangens w tym trójkącie mamy:\[\tan(\alpha) = \frac{a}{d_s}\]\[a = d_s \cdot \tan(30^\circ) = 10\sqrt{3} \cdot \frac{\sqrt{3}}{3} = 10 \cdot \frac{3}{3} = 10 \ \text{cm}\]
Teraz obliczamy wysokość $H$ prostopadłościanu, korzystając z twierdzenia Pitagorasa dla ściany bocznej:\[a^2 + H^2 = d_s^2\]\[H^2 = d_s^2 - a^2\]\[H^2 = (10\sqrt{3})^2 - 10^2 = 100 \cdot 3 - 100 = 300 - 100 = 200\]\[H = \sqrt{200} = \sqrt{100 \cdot 2} = 10\sqrt{2} \text{cm}\]
Pole powierzchni całkowitej prostopadłościanu ($P_c$) to suma pól dwóch podstaw ($2P_p$) i pola powierzchni bocznej ($P_b$):\[P_c = 2P_p + P_b = 2a^2 + 4aH\]\[P_c = 2 \cdot 10^2 + 4 \cdot 10 \cdot (10\sqrt{2})\]\[P_c = 2 \cdot 100 + 400\sqrt{2}\]\[P_c = 200 + 400\sqrt{2}\]\[P_c = 200(1 + 2\sqrt{2}) \text{cm}^2\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Podstawą graniastosłupa prostego jest romb. Wysokość graniastosłupa jest równa $8$ cm. Wiedząc, że przekątne graniastosłupa mają długość $10$ cm i $8\sqrt{2}$ cm, oblicz pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa.
Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $208 \text{ cm}^2$.
Oznaczmy wysokość graniastosłupa jako $H$, przekątne graniastosłupa jako $D_1$ i $D_2$, a przekątne podstawy (rombu) jako $d_1$ i $d_2$. Mamy dane: $H = 8$ cm, $D_1 = 10$ cm, $D_2 = 8\sqrt{2}$ cm.
Przekątne graniastosłupa, wysokość i przekątne podstawy tworzą trójkąty prostokątne. Z twierdzenia Pitagorasa możemy obliczyć długości przekątnych rombu:\[D_1^2 = H^2 + d_1^2\]\[10^2 = 8^2 + d_1^2\]\[100 = 64 + d_1^2\]\[d_1^2 = 36 \implies d_1 = 6 \text{ cm}\]Podobnie dla drugiej przekątnej:\[D_2^2 = H^2 + d_2^2\]\[(8\sqrt{2})^2 = 8^2 + d_2^2\]\[64 \cdot 2 = 64 + d_2^2\]\[128 = 64 + d_2^2\]\[d_2^2 = 64 \implies d_2 = 8 \text{ cm}\]Pole podstawy ($P_p$) to pole rombu, które obliczamy ze wzoru:\[P_p = \frac{1}{2} d_1 d_2\]\[P_p = \frac{1}{2} \cdot 6 \cdot 8 = 24 \text{ cm}^2\]Aby obliczyć pole powierzchni bocznej ($P_b$), potrzebujemy długości boku rombu ($a$). Przekątne rombu przecinają się pod kątem prostym i dzielą się na połowy. Zatem, korzystając z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta utworzonego przez połowy przekątnych i bok rombu:\[a^2 = \left(\frac{d_1}{2}\right)^2 + \left(\frac{d_2}{2}\right)^2\]\[a^2 = \left(\frac{6}{2}\right)^2 + \left(\frac{8}{2}\right)^2\]\[a^2 = 3^2 + 4^2 = 9 + 16 = 25\]\[a = 5 \text{ cm}\]Pole powierzchni bocznej składa się z czterech identycznych prostokątów o bokach $a$ i $H$:\[P_b = 4 \cdot a \cdot H\]\[P_b = 4 \cdot 5 \cdot 8 = 160 \text{ cm}^2\]Pole powierzchni całkowitej ($P_c$) to suma pól obu podstaw i pola powierzchni bocznej:\[P_c = 2 P_p + P_b\]\[P_c = 2 \cdot 24 + 160 = 48 + 160 = 208 \text{ cm}^2\]
Zadanie 4 (3 pkt)
Wysokość ostrosłupa prawidłowego czworokątnego ma długość $5$. Kąt dwuścienny między ścianą boczną i płaszczyzną podstawy jest równy $60^\circ$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego ostrosłupa.
Pole powierzchni całkowitej ostrosłupa wynosi $100$.
Oznaczmy przez $H$ wysokość ostrosłupa, $a$ długość krawędzi podstawy, $h_s$ wysokość ściany bocznej, a przez $\alpha$ kąt dwuścienny między ścianą boczną a podstawą. Zgodnie z treścią zadania mamy $H = 5$ oraz $\alpha = 60^\circ$.
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym, wysokość ostrosłupa ($H$), wysokość ściany bocznej ($h_s$) oraz odcinek łączący spodek wysokości ostrosłupa ze środkiem krawędzi podstawy (o długości $\frac{1}{2}a$) tworzą trójkąt prostokątny. Kąt $\alpha$ jest kątem między $h_s$ a $\frac{1}{2}a$.
Korzystając z funkcji trygonometrycznych w tym trójkącie, możemy obliczyć długość krawędzi podstawy $a$:\[\tan(\alpha) = \frac{H}{\frac{1}{2}a}\]\[\tan(60^\circ) = \frac{5}{\frac{1}{2}a}\]\[\sqrt{3} = \frac{10}{a}\]\[a = \frac{10}{\sqrt{3}} = \frac{10\sqrt{3}}{3}\]Teraz obliczamy wysokość ściany bocznej $h_s$:\[\sin(\alpha) = \frac{H}{h_s}\]\[\sin(60^\circ) = \frac{5}{h_s}\]\[\frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{5}{h_s}\]\[h_s\sqrt{3} = 10\]\[h_s = \frac{10}{\sqrt{3}} = \frac{10\sqrt{3}}{3}\]Pole podstawy ($P_p$) ostrosłupa, która jest kwadratem o boku $a$:\[P_p = a^2 = \left(\frac{10\sqrt{3}}{3}\right)^2 = \frac{100 \cdot 3}{9} = \frac{100}{3}\]Pole powierzchni bocznej ($P_b$) to suma pól czterech identycznych trójkątów o podstawie $a$ i wysokości $h_s$:\[P_b = 4 \cdot \frac{1}{2} a h_s = 2 a h_s\]\[P_b = 2 \cdot \frac{10\sqrt{3}}{3} \cdot \frac{10\sqrt{3}}{3} = 2 \cdot \frac{100 \cdot 3}{9} = \frac{200}{3}\]Pole powierzchni całkowitej ($P_c$) jest sumą pola podstawy i pola powierzchni bocznej:\[P_c = P_p + P_b = \frac{100}{3} + \frac{200}{3} = \frac{300}{3} = 100\]
Zadanie 5 (3 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym cosinus kąta nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy jest równy $\frac{3}{5}$. Wiedząc, że pole powierzchni bocznej tego ostrosłupa jest równe $60 \ \text{cm}^2$, wyznacz wysokość tego ostrosłupa.
Wysokość ostrosłupa wynosi $4 \ \text{cm}$.
Oznaczmy przez $a$ długość krawędzi podstawy, $h_b$ wysokość ściany bocznej, $H$ wysokość ostrosłupa, a przez $\alpha$ kąt nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy.
Pole powierzchni bocznej $P_b$ ostrosłupa prawidłowego czworokątnego jest równe:\[P_b = 4 \cdot \frac{1}{2} a h_b = 2ah_b\]Z treści zadania mamy $P_b = 60 \ \text{cm}^2$, więc:\[2ah_b = 60\]\[ah_b = 30\]Zależność między $a$, $h_b$ i kątem $\alpha$ jest dana wzorem:\[\cos(\alpha) = \frac{\frac{a}{2}}{h_b} = \frac{a}{2h_b}\]Z treści zadania wiemy, że $\cos(\alpha) = \frac{3}{5}$, zatem:\[\frac{a}{2h_b} = \frac{3}{5}\]\[a = \frac{6}{5}h_b\]Rozwiązujemy układ równań:\[\begin{cases} ah_b = 30 \\ a = \frac{6}{5}h_b \end{cases}\]Podstawiając drugie równanie do pierwszego:\[\left(\frac{6}{5}h_b\right) \cdot h_b = 30\]\[\frac{6}{5}h_b^2 = 30\]\[h_b^2 = \frac{30 \cdot 5}{6} = 25\]Ponieważ wysokość musi być dodatnia:\[h_b = 5 \ \text{cm}\]Obliczamy $a$:\[a = \frac{6}{5} \cdot 5 = 6 \ \text{cm}\]Wysokość ostrosłupa $H$ obliczamy z twierdzenia Pitagorasa:\[H^2 + \left(\frac{a}{2}\right)^2 = h_b^2\]\[H^2 + \left(\frac{6}{2}\right)^2 = 5^2\]\[H^2 + 3^2 = 25\]\[H^2 = 25 - 9 = 16\]Ponieważ wysokość musi być dodatnia:\[H = 4 \ \text{cm}\]
Grupa B
Zadanie 1 (1 pkt)
Przekątna sześcianu ma długość $5\sqrt{3}$ cm. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego sześcianu.
Pole powierzchni całkowitej sześcianu wynosi $150 \ \text{cm}^2$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Podstawą prostopadłościanu jest kwadrat. Przekątna ściany bocznej ma długość $60$ cm. Kąt między tą przekątną i przekątną prostopadłościanu, wychodzącymi z tego samego wierzchołka ma miarę $30^\circ$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego prostopadłościanu.
Pole powierzchni całkowitej wynosi $2400(1 + 2\sqrt{2}) \ \text{cm}^2$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Podstawą graniastosłupa prostego jest romb. Wysokość graniastosłupa jest równa $10$ cm. Wiedząc, że przekątne graniastosłupa mają długość $10\sqrt{2}$ cm i $26$ cm, oblicz pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa.
Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $760 \text{ cm}^2$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Wysokość ostrosłupa prawidłowego czworokątnego ma długość $6$. Kąt dwuścienny między ścianą boczną i płaszczyzną podstawy jest równy $45^\circ$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego ostrosłupa.
Pole powierzchni całkowitej ostrosłupa wynosi $144(1 + \sqrt{2})$.
Zadanie 5 (3 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym cosinus kąta nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy jest równy $\frac{5}{13}$. Wiedząc, że pole powierzchni bocznej tego ostrosłupa jest równe $260 \ \text{cm}^2$, wyznacz wysokość tego ostrosłupa.
Wysokość ostrosłupa wynosi $12 \ \text{cm}$.
