17.3. Odcinki w graniastosłupach
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Przekątna ściany bocznej graniastosłupa prawidłowego czworokątnego ma długość 30 cm i tworzy z krawędzią boczną kąt $\alpha$ taki, że $\sin \alpha = 0,6$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa.
Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $P_c = 2376 \ \text{cm}^2$.
Niech $d$ oznacza długość przekątnej ściany bocznej, $a$ długość krawędzi podstawy, a $H$ wysokość graniastosłupa.Z definicji sinusa w trójkącie prostokątnym utworzonym przez przekątną ściany bocznej, krawędź podstawy i krawędź boczną, mamy:\[ \sin \alpha = \frac{a}{d} \]a) Obliczenie długości krawędzi podstawy $a$:\[ a = d \cdot \sin \alpha \]\[ a = 30 \ \text{cm} \cdot 0,6 \]\[ a = 18 \ \text{cm} \]b) Obliczenie wysokości graniastosłupa $H$:Z twierdzenia Pitagorasa dla ściany bocznej:\[ a^2 + H^2 = d^2 \]\[ H^2 = d^2 - a^2 \]\[ H = \sqrt{d^2 - a^2} \]\[ H = \sqrt{(30 \ \text{cm})^2 - (18 \ \text{cm})^2} \]\[ H = \sqrt{900 \ \text{cm}^2 - 324 \ \text{cm}^2} \]\[ H = \sqrt{576 \ \text{cm}^2} \]\[ H = 24 \ \text{cm} \]c) Obliczenie pola powierzchni całkowitej $P_c$:Pole podstawy $P_p$:\[ P_p = a^2 \]\[ P_p = (18 \ \text{cm})^2 \]\[ P_p = 324 \ \text{cm}^2 \]Pole powierzchni bocznej $P_b$:\[ P_b = 4 \cdot a \cdot H \]\[ P_b = 4 \cdot 18 \ \text{cm} \cdot 24 \ \text{cm} \]\[ P_b = 1728 \ \text{cm}^2 \]Pole powierzchni całkowitej $P_c$:\[ P_c = 2 \cdot P_p + P_b \]\[ P_c = 2 \cdot 324 \ \text{cm}^2 + 1728 \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 648 \ \text{cm}^2 + 1728 \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 2376 \ \text{cm}^2 \]
Zadanie 2 (4 pkt)
Przekątna ściany bocznej graniastosłupa prawidłowego trójkątnego tworzy z krawędzią podstawy kąt $\alpha$ taki, że $\cos \alpha = \frac{1}{4}$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa, jeśli wiadomo, że:
a) długość krawędzi podstawy wynosi 4 cm
b) wysokość graniastosłupa wynosi 5 cm
a) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $P_c = (8\sqrt{3} + 48\sqrt{15}) \ \text{cm}^2$.
b) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $P_c = (\frac{5\sqrt{3}}{6} + 5\sqrt{15}) \ \text{cm}^2$.
Aby obliczyć pole powierzchni całkowitej graniastosłupa prawidłowego trójkątnego, potrzebujemy długości krawędzi podstawy $a$ i wysokości graniastosłupa $H$.
Wzory:
Pole podstawy: $P_p = \frac{a^2\sqrt{3}}{4}$
Pole powierzchni bocznej: $P_b = 3aH$
Pole powierzchni całkowitej: $P_c = 2P_p + P_b$
Z informacji o kącie $\alpha$ między przekątną ściany bocznej $d$ a krawędzią podstawy $a$ wiemy, że $\cos \alpha = \frac{1}{4}$.
W trójkącie prostokątnym utworzonym przez krawędź podstawy $a$, wysokość graniastosłupa $H$ i przekątną ściany bocznej $d$, mamy:\[ \cos \alpha = \frac{a}{d} \]\[ \frac{a}{d} = \frac{1}{4} \implies d = 4a \]Z twierdzenia Pitagorasa:\[ a^2 + H^2 = d^2 \]Podstawiamy $d = 4a$:\[ a^2 + H^2 = (4a)^2 \]\[ a^2 + H^2 = 16a^2 \]\[ H^2 = 15a^2 \]\[ H = \sqrt{15a^2} = a\sqrt{15} \]a) Obliczenie dla krawędzi podstawy $a = 4 \ \text{cm}$:
Obliczenie wysokości $H$: \[ H = a\sqrt{15} \]\[ H = 4\sqrt{15} \ \text{cm} \]Obliczenie pola podstawy $P_p$: \[ P_p = \frac{a^2\sqrt{3}}{4} \]\[ P_p = \frac{4^2\sqrt{3}}{4} = \frac{16\sqrt{3}}{4} = 4\sqrt{3} \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni bocznej $P_b$: \[ P_b = 3aH \]\[ P_b = 3 \cdot 4 \cdot 4\sqrt{15} = 48\sqrt{15} \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni całkowitej $P_c$: \[ P_c = 2P_p + P_b \]\[ P_c = 2 \cdot 4\sqrt{3} + 48\sqrt{15} = (8\sqrt{3} + 48\sqrt{15}) \ \text{cm}^2 \]b) Obliczenie dla wysokości $H = 5 \ \text{cm}$:
Obliczenie krawędzi podstawy $a$: \[ H = a\sqrt{15} \]\[ 5 = a\sqrt{15} \]\[ a = \frac{5}{\sqrt{15}} \]\[ a = \frac{5\sqrt{15}}{15} = \frac{\sqrt{15}}{3} \ \text{cm} \]Obliczenie pola podstawy $P_p$: \[ P_p = \frac{a^2\sqrt{3}}{4} \]\[ P_p = \frac{\left(\frac{\sqrt{15}}{3}\right)^2\sqrt{3}}{4} = \frac{\frac{15}{9}\sqrt{3}}{4} = \frac{5\sqrt{3}}{12} \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni bocznej $P_b$: \[ P_b = 3aH \]\[ P_b = 3 \cdot \frac{\sqrt{15}}{3} \cdot 5 = 5\sqrt{15} \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni całkowitej $P_c$: \[ P_c = 2P_p + P_b \]\[ P_c = 2 \cdot \frac{5\sqrt{3}}{12} + 5\sqrt{15} = \left(\frac{5\sqrt{3}}{6} + 5\sqrt{15}\right) \ \text{cm}^2 \]
Zadanie 3 (2 pkt)
Oblicz długości przekątnych wszystkich ścian oraz długość przekątnej prostopadłościanu o krawędziach:
a) 3, 4, 5,
b) 2, 3, 6.
a) Długości przekątnych ścian wynoszą odpowiednio $5$, $\sqrt{34}$ i $\sqrt{41}$, a długość przekątnej prostopadłościanu to $5\sqrt{2}$.
b) Długości przekątnych ścian wynoszą odpowiednio $\sqrt{13}$, $2\sqrt{10}$ i $3\sqrt{5}$, a długość przekątnej prostopadłościanu to $7$.
a) Obliczenie długości przekątnych ścian i przekątnej prostopadłościanu dla krawędzi 3, 4, 5:
Przekątne ścian:\[d_1 = \sqrt{3^2 + 4^2}\]\[d_1 = \sqrt{9 + 16}\]\[d_1 = \sqrt{25}\]\[d_1 = 5\]\[d_2 = \sqrt{3^2 + 5^2}\]\[d_2 = \sqrt{9 + 25}\]\[d_2 = \sqrt{34}\]\[d_3 = \sqrt{4^2 + 5^2}\]\[d_3 = \sqrt{16 + 25}\]\[d_3 = \sqrt{41}\]Przekątna prostopadłościanu:\[D = \sqrt{3^2 + 4^2 + 5^2}\]\[D = \sqrt{9 + 16 + 25}\]\[D = \sqrt{50}\]\[D = \sqrt{25 \cdot 2}\]\[D = 5\sqrt{2}\]b) Obliczenie długości przekątnych ścian i przekątnej prostopadłościanu dla krawędzi 2, 3, 6:
Przekątne ścian:\[d_1 = \sqrt{2^2 + 3^2}\]\[d_1 = \sqrt{4 + 9}\]\[d_1 = \sqrt{13}\]\[d_2 = \sqrt{2^2 + 6^2}\]\[d_2 = \sqrt{4 + 36}\]\[d_2 = \sqrt{40}\]\[d_2 = \sqrt{4 \cdot 10}\]\[d_2 = 2\sqrt{10}\]\[d_3 = \sqrt{3^2 + 6^2}\]\[d_3 = \sqrt{9 + 36}\]\[d_3 = \sqrt{45}\]\[d_3 = \sqrt{9 \cdot 5}\]\[d_3 = 3\sqrt{5}\]Przekątna prostopadłościanu:\[D = \sqrt{2^2 + 3^2 + 6^2}\]\[D = \sqrt{4 + 9 + 36}\]\[D = \sqrt{49}\]\[D = 7\]
Zadanie 4 (3 pkt)
Oblicz pole powierzchni całkowitej graniastosłupa prawidłowego czworokątnego, którego krawędź podstawy ma długość 6 cm, a przekątna jego ściany bocznej tworzy:
a) z krawędzią podstawy kąt $45^{\circ}$,
b) z krawędzią boczną kąt $45^{\circ}$,
c) przekątna graniastosłupa tworzy z przekątną podstawy kąt $45^{\circ}$.
a) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $216 \ \text{cm}^2$.
b) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $216 \ \text{cm}^2$.
c) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $\left(72 + 144\sqrt{2}\right) \ \text{cm}^2$.
Dane:
$a = 6 \ \text{cm}$
$\alpha = 45^\circ$
Szukane:
$P_c = ?$
Obliczenia wspólne:
Pole podstawy $P_p$ to pole kwadratu o boku $a$.\[ P_p = a^2 \]Podstawiając $a = 6 \ \text{cm}$:\[ P_p = 6^2 \]\[ P_p = 36 \ \text{cm}^2 \]Pole powierzchni bocznej $P_b$ to suma pól czterech prostokątów o bokach $a$ i $h$.\[ P_b = 4 \cdot a \cdot h \]Pole powierzchni całkowitej $P_c$ jest sumą podwojonego pola podstawy i pola powierzchni bocznej.\[ P_c = 2P_p + P_b \]a) Obliczenie pola powierzchni całkowitej, gdy przekątna ściany bocznej tworzy z krawędzią podstawy kąt 45°:
Z trójkąta prostokątnego utworzonego przez krawędź podstawy $a$, wysokość $h$ i przekątną ściany bocznej, oraz kąta $45^\circ$ między przekątną a krawędzią podstawy, wynika, że:\[ \tan(45^\circ) = \frac{h}{a} \]Ponieważ $\tan(45^\circ) = 1$, otrzymujemy:\[ h = a \]Podstawiając $a = 6 \ \text{cm}$:\[ h = 6 \ \text{cm} \]Obliczenie pola powierzchni bocznej:\[ P_b = 4 \cdot a \cdot h \]\[ P_b = 4 \cdot 6 \ \text{cm} \cdot 6 \ \text{cm} \]\[ P_b = 144 \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni całkowitej:\[ P_c = 2P_p + P_b \]\[ P_c = 2 \cdot 36 \ \text{cm}^2 + 144 \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 72 \ \text{cm}^2 + 144 \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 216 \ \text{cm}^2 \]b) Obliczenie pola powierzchni całkowitej, gdy przekątna ściany bocznej tworzy z krawędzią boczną kąt 45°:
Z trójkąta prostokątnego utworzonego przez krawędź podstawy $a$, wysokość $h$ i przekątną ściany bocznej, oraz kąta $45^\circ$ między przekątną a krawędzią boczną, wynika, że:\[ \tan(45^\circ) = \frac{a}{h} \]Ponieważ $\tan(45^\circ) = 1$, otrzymujemy:\[ a = h \]Podstawiając $a = 6 \ \text{cm}$:\[ h = 6 \ \text{cm} \]Obliczenie pola powierzchni bocznej:\[ P_b = 4 \cdot a \cdot h \]\[ P_b = 4 \cdot 6 \ \text{cm} \cdot 6 \ \text{cm} \]\[ P_b = 144 \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni całkowitej:\[ P_c = 2P_p + P_b \]\[ P_c = 2 \cdot 36 \ \text{cm}^2 + 144 \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 72 \ \text{cm}^2 + 144 \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 216 \ \text{cm}^2 \]c) Obliczenie pola powierzchni całkowitej, gdy przekątna graniastosłupa tworzy z przekątną podstawy kąt 45°:
Najpierw obliczamy długość przekątnej podstawy $d_p$ dla kwadratu o boku $a$:\[ d_p = a\sqrt{2} \]Podstawiając $a = 6 \ \text{cm}$:\[ d_p = 6\sqrt{2} \ \text{cm} \]Z trójkąta prostokątnego utworzonego przez przekątną podstawy $d_p$, wysokość $h$ i przekątną graniastosłupa $D$, oraz kąta $45^\circ$ między przekątną graniastosłupa a przekątną podstawy, wynika, że:\[ \tan(45^\circ) = \frac{h}{d_p} \]Ponieważ $\tan(45^\circ) = 1$, otrzymujemy:\[ h = d_p \]\[ h = 6\sqrt{2} \ \text{cm} \]Obliczenie pola powierzchni bocznej:\[ P_b = 4 \cdot a \cdot h \]\[ P_b = 4 \cdot 6 \ \text{cm} \cdot 6\sqrt{2} \ \text{cm} \]\[ P_b = 144\sqrt{2} \ \text{cm}^2 \]Obliczenie pola powierzchni całkowitej:\[ P_c = 2P_p + P_b \]\[ P_c = 2 \cdot 36 \ \text{cm}^2 + 144\sqrt{2} \ \text{cm}^2 \]\[ P_c = 72 + 144\sqrt{2} \ \text{cm}^2 \]
Zadanie 5 (4 pkt)
Dany jest graniastosłup prawidłowy sześciokątny, którego wszystkie krawędzie mają długość 6 cm. Oblicz długości przekątnych tego graniastosłupa.
a) Długość krótszej przekątnej graniastosłupa wynosi $12 \ \text{cm}$.
b) Długość dłuższej przekątnej graniastosłupa wynosi $6\sqrt{5} \ \text{cm}$.
a) Obliczenie długości krótszej przekątnej graniastosłupa:
Krawędź podstawy $a = 6 \ \text{cm}$. Wysokość graniastosłupa $H = 6 \ \text{cm}$.
Długość krótszej przekątnej podstawy sześciokątnej $d_{\text{p1}}$:\[d_{\text{p1}} = a\sqrt{3}\]Podstawienie wartości:\[d_{\text{p1}} = 6 \cdot \sqrt{3} \ \text{cm}\]Długość krótszej przekątnej graniastosłupa $D_1$ (z twierdzenia Pitagorasa):\[D_1 = \sqrt{H^2 + d_{\text{p1}}^2}\]Podstawienie wartości:\[D_1 = \sqrt{6^2 + (6\sqrt{3})^2}\]\[D_1 = \sqrt{36 + 36 \cdot 3}\]\[D_1 = \sqrt{36 + 108}\]\[D_1 = \sqrt{144}\]\[D_1 = 12 \ \text{cm}\]b) Obliczenie długości dłuższej przekątnej graniastosłupa:
Długość dłuższej przekątnej podstawy sześciokątnej $d_{\text{p2}}$:\[d_{\text{p2}} = 2a\]Podstawienie wartości:\[d_{\text{p2}} = 2 \cdot 6 = 12 \ \text{cm}\]Długość dłuższej przekątnej graniastosłupa $D_2$ (z twierdzenia Pitagorasa):\[D_2 = \sqrt{H^2 + d_{\text{p2}}^2}\]Podstawienie wartości:\[D_2 = \sqrt{6^2 + 12^2}\]\[D_2 = \sqrt{36 + 144}\]\[D_2 = \sqrt{180}\]Upraszczanie pierwiastka:\[D_2 = \sqrt{36 \cdot 5}\]\[D_2 = 6\sqrt{5} \ \text{cm}\]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Przekątna ściany bocznej graniastosłupa prawidłowego czworokątnego ma długość 50 cm i tworzy z krawędzią boczną kąt $\alpha$ taki, że $\sin \alpha = 0,28$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa.
Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $P_c = 3080 \ \text{cm}^2$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Przekątna ściany bocznej graniastosłupa prawidłowego trójkątnego tworzy z krawędzią podstawy kąt $\alpha$ taki, że $\cos \alpha = \frac{2}{3}$. Oblicz pole powierzchni całkowitej tego graniastosłupa, jeśli wiadomo, że:
a) długość krawędzi podstawy wynosi 8 cm
b) wysokość graniastosłupa wynosi 10 cm
a) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $P_c = (32\sqrt{3} + 96\sqrt{5}) \ \text{cm}^2$.
b) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $P_c = (40\sqrt{3} + 120\sqrt{5}) \ \text{cm}^2$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Oblicz długości przekątnych wszystkich ścian oraz długość przekątnej prostopadłościanu o krawędziach:
a) 7, 8, 24,
b) 1, 2, 2.
a) Długości przekątnych ścian wynoszą odpowiednio $\sqrt{113}$, $25$ i $8\sqrt{10}$, a długość przekątnej prostopadłościanu to $\sqrt{689}$.
b) Długości przekątnych ścian wynoszą odpowiednio $\sqrt{5}$, $\sqrt{5}$ i $2\sqrt{2}$, a długość przekątnej prostopadłościanu to $3$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Oblicz pole powierzchni całkowitej graniastosłupa prawidłowego czworokątnego, którego krawędź podstawy ma długość 8 cm, a przekątna jego ściany bocznej tworzy:
a) z krawędzią podstawy kąt $60^{\circ}$,
b) z krawędzią boczną kąt $60^{\circ}$,
c) przekątna graniastosłupa tworzy z przekątną podstawy kąt $60^{\circ}$.
a) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $\left(128 + 256\sqrt{3}\right) \ \text{cm}^2$.
b) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $\left(128 + \frac{256\sqrt{3}}{3}\right) \ \text{cm}^2$.
c) Pole powierzchni całkowitej graniastosłupa wynosi $\left(128 + 256\sqrt{6}\right) \ \text{cm}^2$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Dany jest graniastosłup prawidłowy sześciokątny, którego wszystkie krawędzie mają długość 5 cm. Oblicz długości przekątnych tego graniastosłupa.
a) Długość krótszej przekątnej graniastosłupa wynosi $10 \ \text{cm}$.
b) Długość dłuższej przekątnej graniastosłupa wynosi $5\sqrt{5} \ \text{cm}$.
