29.11 Przekroje wielościanów – zadania
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Przekrój sześcianu płaszczyzną, zawierającą przekątne trzech różnych ścian, jest trójkątem, którego pole wynosi $32\sqrt{3} \text{ cm}^2$. Oblicz objętość tego sześcianu.
Objętość sześcianu wynosi $512 \text{ cm}^3$.
Niech $a$ oznacza długość krawędzi sześcianu. Przekątna ściany sześcianu ma długość $d = a\sqrt{2}$. Przekrój opisany w zadaniu jest trójkątem równobocznym, którego boki są przekątnymi trzech ścian sześcianu. Długość boku tego trójkąta, oznaczmy ją jako $b$, jest równa długości przekątnej ściany:\[b = a\sqrt{2}\]Pole trójkąta równobocznego o boku $b$ wyraża się wzorem:\[P = \frac{b^2\sqrt{3}}{4}\]Podstawiając $b = a\sqrt{2}$ do wzoru na pole, otrzymujemy:\[P = \frac{(a\sqrt{2})^2\sqrt{3}}{4} = \frac{2a^2\sqrt{3}}{4} = \frac{a^2\sqrt{3}}{2}\]Z treści zadania wiemy, że pole tego przekroju wynosi $32\sqrt{3} \text{ cm}^2$. Możemy więc zapisać równanie:\[\frac{a^2\sqrt{3}}{2} = 32\sqrt{3}\]Dzieląc obie strony przez $\sqrt{3}$, otrzymujemy:\[\frac{a^2}{2} = 32\]\[a^2 = 64\]\[a = 8 \ (\text{cm})\]Teraz możemy obliczyć objętość sześcianu $V$:\[V = a^3 = 8^3 = 512 \ (\text{cm}^3)\]
Zadanie 2 (3 pkt)
Pole powierzchni całkowitej sześcianu $ABCDA_1B_1C_1D_1$ jest równe $150 \ \text{cm}^2$. Oblicz pole przekroju tego sześcianu płaszczyzną, zawierającą krawędzie $AB$ i $D_1C_1$.
Pole przekroju wynosi $25\sqrt{2} \ \text{cm}^2$.
Oznaczmy długość krawędzi sześcianu jako $a$. Pole powierzchni całkowitej sześcianu $P_c$ wyraża się wzorem:\[P_c = 6a^2\] Z treści zadania wiemy, że $P_c = 150 \ \text{cm}^2$. Obliczamy długość krawędzi $a$:\[6a^2 = 150\]\[a^2 = 25\]\[a = 5 \ \text{cm}\] Płaszczyzna przekroju zawiera krawędzie $AB$ i $D_1C_1$. Wierzchołkami tego przekroju są punkty $A, B, C_1, D_1$. Przekrój ten jest prostokątem $ABC_1D_1$. Jeden z boków tego prostokąta ma długość równą krawędzi sześcianu, $|AB| = a = 5 \ \text{cm}$. Drugi bok to przekątna ściany bocznej sześcianu, np. $|AD_1|$. Długość przekątnej kwadratu o boku $a$ wynosi $a\sqrt{2}$.\[|AD_1| = a\sqrt{2} = 5\sqrt{2} \ \text{cm}\] Pole przekroju $P_{p}$ jest iloczynem długości boków tego prostokąta:\[P_{p} = |AB| \cdot |AD_1| = a \cdot a\sqrt{2} = a^2\sqrt{2}\] Podstawiając wartość $a=5 \ \text{cm}$:\[P_{p} = 5^2 \cdot \sqrt{2} = 25\sqrt{2} \ \text{cm}^2\]
Zadanie 3 (4 pkt)
Krawędź boczna prostopadłościanu $ABCDA_1B_1C_1D_1$ ma długość $24$ cm. Boki podstawy mają długość: $|AB| = 7$ cm, $|AD| = 30$ cm. Oblicz pole przekroju płaszczyzną wyznaczoną przez krawędzie $AD$ i $B_1C_1$.
$P = 750 \ \text{cm}^2$
Przekrój wyznaczony przez krawędzie $AD$ i $B_1C_1$ jest czworokątem $ADC_1B_1$. W prostopadłościanie krawędź $AD$ jest równoległa do krawędzi $B_1C_1$, a ich długości są równe: $|AD| = |B_1C_1| = 30$ cm. Zatem czworokąt $ADC_1B_1$ jest równoległobokiem. Krawędź $AD$ jest prostopadła do płaszczyzny ściany bocznej $CDD_1C_1$, a więc jest prostopadła do przekątnej $DC_1$ tej ściany. Skoro równoległobok $ADC_1B_1$ ma kąt prosty, to jest on prostokątem. Pole tego prostokąta jest równe iloczynowi długości jego sąsiednich boków: $P = |AD| \cdot |DC_1|$. Długość boku $|AD|$ jest dana i wynosi $30$ cm. Długość boku $|DC_1|$ obliczamy z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta prostokątnego $DCC_1$. Boki tego trójkąta mają długości: $|DC| = |AB| = 7$ cm oraz $|CC_1| = 24$ cm. \[|DC_1|^2 = |DC|^2 + |CC_1|^2\] \[|DC_1|^2 = 7^2 + 24^2\] \[|DC_1|^2 = 49 + 576 = 625\] \[|DC_1| = \sqrt{625} = 25 \ \text{cm}\] Obliczamy pole przekroju: \[P = |AD| \cdot |DC_1| = 30 \ \text{cm} \cdot 25 \ \text{cm} = 750 \ \text{cm}^2\]
Zadanie 4 (3 pkt)
Długości boków prostopadłościanu pozostają w stosunku $1:2:3$. Przez najdłuższą krawędź i przekątną najmniejszej ściany poprowadzono przekrój, którego pole jest równe $12\sqrt{5} \text{ cm}^2$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego prostopadłościanu.
Pole powierzchni całkowitej prostopadłościanu wynosi $88 \text{ cm}^2$.
Oznaczmy długości krawędzi prostopadłościanu jako $a, b, c$. Zgodnie z treścią zadania, stosunek długości krawędzi wynosi $1:2:3$. Możemy więc zapisać:\[a = x, \ b = 2x, \ c = 3x\]gdzie $x$ jest pewną dodatnią stałą. Najdłuższą krawędzią jest $c = 3x$. Ściany prostopadłościanu mają pola: $P_1 = ab = x \cdot 2x = 2x^2$, $P_2 = ac = x \cdot 3x = 3x^2$, $P_3 = bc = 2x \cdot 3x = 6x^2$. Najmniejszą ścianą jest ta o polu $P_1$, o bokach $a=x$ i $b=2x$. Obliczamy długość przekątnej $d$ tej ściany, korzystając z twierdzenia Pitagorasa:\[d^2 = a^2 + b^2 = x^2 + (2x)^2 = x^2 + 4x^2 = 5x^2\]\[d = \sqrt{5x^2} = x\sqrt{5}\]Przekrój jest prostokątem o bokach równych najdłuższej krawędzi $c$ i przekątnej najmniejszej ściany $d$. Pole tego przekroju $P_{przekroju}$ wynosi:\[P_{przekroju} = c \cdot d = 3x \cdot x\sqrt{5} = 3\sqrt{5}x^2\]Z treści zadania wiemy, że $P_{przekroju} = 12\sqrt{5} \text{ cm}^2$. Możemy więc ułożyć równanie:\[3\sqrt{5}x^2 = 12\sqrt{5}\]\[3x^2 = 12\]\[x^2 = 4\]\[x = 2 \quad (\text{ponieważ } x > 0)\]Teraz obliczamy długości krawędzi prostopadłościanu:\[a = x = 2 \text{ cm}\]\[b = 2x = 2 \cdot 2 = 4 \text{ cm}\]\[c = 3x = 3 \cdot 2 = 6 \text{ cm}\]Na koniec obliczamy pole powierzchni całkowitej $P_c$ prostopadłościanu:\[P_c = 2(ab + ac + bc)\]\[P_c = 2(2 \cdot 4 + 2 \cdot 6 + 4 \cdot 6) = 2(8 + 12 + 24) = 2(44) = 88 \text{ cm}^2\]
Zadanie 5 (4 pkt)
W graniastosłupie prawidłowym czworokątnym $ABCDA_1B_1C_1D_1$ krawędź podstawy $ABCD$ jest o $3$ cm dłuższa od krawędzi bocznej $AA_1$. Pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa jest równe $480 \text{ cm}^2$. Oblicz pole przekroju tej bryły wyznaczonego przez przekątną podstawy $DB$ i wierzchołek $C_1$.
Pole przekroju wynosi $15\sqrt{22} \text{ cm}^2$.
Oznaczmy długość krawędzi podstawy jako $a$ i wysokość graniastosłupa jako $H$. Zgodnie z treścią zadania $a = H + 3$, czyli $H = a - 3$. Pole powierzchni całkowitej $P_c$ wynosi $P_c = 2a^2 + 4aH$. Podstawiając dane, otrzymujemy: \[2a^2 + 4aH = 480\] Podstawiamy $H = a - 3$:\[2a^2 + 4a(a - 3) = 480\] \[2a^2 + 4a^2 - 12a = 480\]\[6a^2 - 12a - 480 = 0\] Dzielimy równanie przez 6:\[a^2 - 2a - 80 = 0\]Rozwiązujemy równanie kwadratowe, obliczając wyróżnik $\Delta$:\[\Delta = (-2)^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-80) = 4 + 320 = 324\]\[\sqrt{\Delta} = 18\]Obliczamy pierwiastki:\[a_1 = \frac{2 - 18}{2} = -8\]\[a_2 = \frac{2 + 18}{2} = 10\]Odrzucamy rozwiązanie ujemne, więc $a = 10$ cm. Wysokość graniastosłupa wynosi $H = a - 3 = 10 - 3 = 7$ cm. Przekrój jest trójkątem $DBC_1$. Jego podstawą jest przekątna kwadratu $d = |DB|$: \[d = a\sqrt{2} = 10\sqrt{2} \text{ cm}\] Ramiona trójkąta, $|BC_1|$ i $|DC_1|$, są równe. Ich długość obliczamy z twierdzenia Pitagorasa: \[|BC_1|^2 = a^2 + H^2 = 10^2 + 7^2 = 100 + 49 = 149\] \[|BC_1| = \sqrt{149} \text{ cm}\] Wysokość trójkąta $DBC_1$, oznaczona jako $h_p$, opuszczona na podstawę $DB$, spełnia równanie:\[h_p^2 + (\frac{d}{2})^2 = |BC_1|^2\]\[h_p^2 + (5\sqrt{2})^2 = (\sqrt{149})^2\]\[h_p^2 + 50 = 149\]\[h_p^2 = 99\]\[h_p = \sqrt{99} = \sqrt{9 \cdot 11} = 3\sqrt{11} \text{ cm}\]Pole przekroju wynosi:\[P_{przekroju} = \frac{1}{2} \cdot d \cdot h_p = \frac{1}{2} \cdot 10\sqrt{2} \cdot 3\sqrt{11} = 15\sqrt{22} \text{ cm}^2\]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Przekrój sześcianu płaszczyzną, zawierającą przekątne trzech różnych ścian, jest trójkątem, którego pole wynosi $72\sqrt{3} \text{ cm}^2$. Oblicz objętość tego sześcianu.
Objętość sześcianu wynosi $1728 \text{ cm}^3$.
Zadanie 2 (3 pkt)
Pole powierzchni całkowitej sześcianu $ABCDA_1B_1C_1D_1$ jest równe $864 \ \text{cm}^2$. Oblicz pole przekroju tego sześcianu płaszczyzną, zawierającą krawędzie $BC$ i $A_1D_1$.
Pole przekroju wynosi $144\sqrt{2} \ \text{cm}^2$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Krawędź boczna prostopadłościanu $ABCDA_1B_1C_1D_1$ ma długość $12$ cm. Boki podstawy mają długość: $|AB| = 35$ cm, $|AD| = 20$ cm. Oblicz pole przekroju płaszczyzną wyznaczoną przez krawędzie $AD$ i $B_1C_1$.
$P = 740 \ \text{cm}^2$
Zadanie 4 (3 pkt)
Długości boków prostopadłościanu pozostają w stosunku $2:3:4$. Przez najdłuższą krawędź i przekątną najmniejszej ściany poprowadzono przekrój, którego pole jest równe $36\sqrt{13} \text{ cm}^2$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego prostopadłościanu.
Pole powierzchni całkowitej prostopadłościanu wynosi $468 \text{ cm}^2$.
Zadanie 5 (4 pkt)
W graniastosłupie prawidłowym czworokątnym $ABCDA_1B_1C_1D_1$ krawędź boczna $AA_1$ jest o $1$ cm dłuższa od krawędzi podstawy $ABCD$. Pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa jest równe $240 \text{ cm}^2$. Oblicz pole przekroju tej bryły wyznaczonego przez przekątną podstawy $DB$ i wierzchołek $C_1$.
Pole przekroju wynosi $3\sqrt{134} \text{ cm}^2$.
