30.4 Bryły obrotowe – zadania różne
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1
Model bryły obrotowej utworzono poprzez pełny obrót trójkąta prostokątnego wokół prostej zawierającej jego przeciwprostokątną. Długości boków przy kącie prostym tego trójkąta są równe \(15\text{ cm}\) oraz \(20\text{ cm}\). Oblicz pole powierzchni całkowitej tak otrzymanej bryły.
\(420\pi\text{ cm}^2\)
Wskazówki:
- Obrót trójkąta prostokątnego wokół przeciwprostokątnej generuje bryłę złożoną z dwóch stożków złączonych wspólną podstawą. Tworzącymi tych stożków są przyprostokątne trójkąta (\(l_1 = 15\text{ cm}\), \(l_2 = 20\text{ cm}\)).
- Promieniem wspólnej podstawy obu stożków jest wysokość trójkąta prostokątnego opuszczona na przeciwprostokątną (\(r = h_c\)). Można ją szybko wyznaczyć, porównując dwa wzory na pole trójkąta lub korzystając z funkcji trygonometrycznych.
- Czego kategorycznie nie wolno robić: Nie wolno dodawać pola podstawy (\(P_p = \pi r^2\)) do pola powierzchni całkowitej bryły! Wspólna podstawa znajduje się wewnątrz złączonych stożków, więc nie stanowi powierzchni zewnętrznej. Pole powierzchni całkowitej to wyłącznie suma pól bocznych obu stożków: \(P_c = P_{b1} + P_{b2}\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza geometryczna sytuacji wyjściowej:
Przeciwprostokątna trójkąta prostokątnego wyznacza oś obrotu. Wierzchołek kąta prostego podczas obrotu o \(360^\circ\) zakreśla okrąg o promieniu równym wysokości opuszczonej na przeciwprostokątną. -
Wyznaczenie długości przeciwprostokątnej \(c\):
Stosujemy twierdzenie Pitagorasa dla wyjściowego trójkąta prostokątnego o przyprostokątnych \(a = 15\text{ cm}\) oraz \(b = 20\text{ cm}\): $$c^2 = a^2 + b^2$$ $$\begin{aligned} c^2 &= 15^2 + 20^2 \\[8pt] c^2 &= 225 + 400 \\[8pt] c^2 &= 625 \\[8pt] c &= \sqrt{625} = 25\text{ cm} \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie promienia wspólnej podstawy \(r\):
Promień \(r\) wspólnej podstawy stożków jest równy wysokości \(h_c\) opuszczonej na przeciwprostokątną trójkąta. Wielkość tę możemy wyznaczyć na dwa niezależne sposoby:
Sposób I – Porównanie pól trójkąta:
Pole trójkąta prostokątnego obliczamy ze wzoru z przyprostokątnymi: $$P = \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot b = \dfrac{1}{2} \cdot 15 \cdot 20 = 150\text{ cm}^2$$ Pole to możemy również wyrazić przez przeciwprostokątną \(c\) i opuszczoną na nią wysokość \(r\): $$\begin{aligned} P &= \dfrac{1}{2} \cdot c \cdot r \\[8pt] 150 &= \dfrac{1}{2} \cdot 25 \cdot r \\[8pt] 150 &= 12{,}5 \cdot r \\[8pt] r &= \dfrac{150}{12{,}5} = 12\text{ cm} \end{aligned}$$ Sposób II – Wykorzystanie trygonometrii:
Niech \(\alpha\) oznacza kąt przy wierzchołku \(B\) (naprzeciw przyprostokątnej \(b = 20\text{ cm}\)). W trójkącie wyjściowym: $$\sin\alpha = \dfrac{b}{c} = \dfrac{20}{25} = \dfrac{4}{5}$$ W mniejszym trójkącie prostokątnym o przeciwprostokątnej równej \(a = 15\text{ cm}\), wysokość \(r\) leży naprzeciwko tego samego kąta \(\alpha\): $$\begin{aligned} \sin\alpha &= \dfrac{r}{a} \\[8pt] \dfrac{4}{5} &= \dfrac{r}{15} \\[8pt] r &= 15 \cdot \dfrac{4}{5} = 12\text{ cm} \end{aligned}$$ -
Obliczenie pola powierzchni całkowitej bryły i interpretacja graficzna:
Powstała bryła składa się z dwóch stożków o promieniu podstawy \(r = 12\text{ cm}\) oraz tworzących \(l_1 = 20\text{ cm}\) i \(l_2 = 15\text{ cm}\). Ponieważ ich wspólna podstawa znajduje się we wnętrzu bryły, jej pole nie wchodzi w skład powierzchni zewnętrznej: $$P_c = P_{b1} + P_{b2} = \pi r l_1 + \pi r l_2 = \pi r(l_1 + l_2)$$ $$\begin{aligned} P_c &= \pi \cdot 12 \cdot (20 + 15) \\[8pt] &= \pi \cdot 12 \cdot 35 \\[8pt] &= 420\pi\text{ cm}^2 \end{aligned}$$
Odpowiedź:
Pole powierzchni całkowitej otrzymanej bryły wynosi \(420\pi\text{ cm}^2\).
Pole powierzchni całkowitej otrzymanej bryły wynosi \(420\pi\text{ cm}^2\).
Zadanie 2
W pewnym elemencie dekoracyjnym w kształcie równoległoboku kąt ostry ma miarę \(30^\circ\). Dłuższy bok tej figury ma długość \(10\text{ cm}\), a krótszy mierzy \(6\text{ cm}\). Równoległobok ten obrócono w przestrzeni o kąt pełny wokół prostej zawierającej jego dłuższy bok. Wyznacz objętość \(V\) oraz pole powierzchni całkowitej \(P_c\) powstałej w ten sposób bryły obrotowej.
\(V = 90\pi\text{ cm}^3\), \(P_c = 96\pi\text{ cm}^2\)
Wskazówki:
- Zauważ, że obrót równoległoboku wokół dłuższego boku tworzy bryłę złożoną z części walcowej, z której z jednej strony zostało wycięte wgłębienie w kształcie stożka, a z drugiej strony doklejony został identyczny stożek.
- Uwaga na typowy błąd przy objętości: Uczniowie często próbują skomplikowanych obliczeń całkowej sumy części. Zauważ, że objętość „doklejonego” stożka jest dokładnie taka sama jak objętość stożkowego wydrążenia. Zatem objętość całej bryły jest równa objętości walca o promieniu równym wysokości równoległoboku \(r = h\) i wysokości równej dłuższemu bokowi \(H = a\).
- Uwaga na typowy błąd przy polu powierzchni: Kategorycznie nie wolno dodawać pól podstaw walca (\(\pi r^2\)). Powstała bryła nie posiada płaskich kół na końcach. Z jednej strony jest ograniczona wypukłą powierzchnią boczną stożka, a z drugiej strony wklęsłą powierzchnią boczną stożkowego wgłębienia. Pole powierzchni całkowitej to suma powierzchni bocznej walca oraz powierzchni bocznych dwóch stożków: \(P_c = P_{b\_w} + 2 \cdot P_{b\_s}\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i wyznaczenie promienia obrotu (wysokości równoległoboku):
Promieniem obrotu \(r\) bryły jest wysokość równoległoboku \(h\) opuszczona na prostą zawierającą dłuższy bok \(a = 10\text{ cm}\). Rozpatrujemy trójkąt prostokątny utworzony przez krótszy bok \(b = 6\text{ cm}\), wysokość \(h\) oraz kąt ostry \(30^\circ\).Z definicji funkcji sinus w trójkącie prostokątnym obliczamy wysokość \(h\): $$\sin(30^\circ) = \dfrac{h}{b}$$ $$\begin{aligned} \dfrac{1}{2} &= \dfrac{h}{6} \\[8pt] h &= 6 \cdot \dfrac{1}{2} = 3\text{ cm} \end{aligned}$$ Zatem promień obrotu wynosi \(r = 3\text{ cm}\). Tworząca powstałych stożków to krótszy bok równoległoboku \(l = b = 6\text{ cm}\), a wysokość części walcowej to dłuższy bok \(H = a = 10\text{ cm}\). -
Analiza budowy przestrzennej powstałej bryły obrotowej:
W wyniku pełnego obrotu wokół boku \(a\) powstaje walec o promieniu podstawy \(r = 3\text{ cm}\) i wysokości \(H = 10\text{ cm}\), którego jedna podstawa została wydrążona w stożek o tworzącej \(l = 6\text{ cm}\), a do drugiej doklejono identyczny stożek o tych samych wymiarach. -
Obliczenie objętości bryły obrotowej \(V\):
Objętość całej bryły jest równa objętości walca pomniejszonej o objętość stożkowego wgłębienia i powiększonej o identyczną objętość stożka doklejonego: $$\begin{aligned} V &= V_{\text{walca}} - V_{\text{stożka}} + V_{\text{stożka}} \\[8pt] &= V_{\text{walca}} = \pi r^2 H \end{aligned}$$ Podstawiamy wyznaczone wartości \(r = 3\text{ cm}\) oraz \(H = 10\text{ cm}\): $$\begin{aligned} V &= \pi \cdot 3^2 \cdot 10 \\[8pt] &= \pi \cdot 9 \cdot 10 \\[8pt] &= 90\pi\text{ cm}^3 \end{aligned}$$ -
Obliczenie pola powierzchni całkowitej bryły \(P_c\):
Powierzchnia całkowita bryły składa się z:- powierzchni bocznej części walcowej: \(P_{b\_w} = 2\pi r H\),
- powierzchni bocznej zewnętrznego stożka: \(P_{b\_s} = \pi r l\),
- powierzchni bocznej wewnętrznego stożkowego wgłębienia: \(P_{b\_s} = \pi r l\).
Odpowiedź:
Objętość bryły wynosi \(V = 90\pi\text{ cm}^3\), a jej pole powierzchni całkowitej jest równe \(P_c = 96\pi\text{ cm}^2\).
Objętość bryły wynosi \(V = 90\pi\text{ cm}^3\), a jej pole powierzchni całkowitej jest równe \(P_c = 96\pi\text{ cm}^2\).
Zadanie 3
Kwadratową tarczę o boku długości \(a\) wprawiono w ruch obrotowy wokół dwóch różnych osi symetrii leżących w jej płaszczyźnie. W pierwszym przypadku oś obrotu pokrywała się z przekątną kwadratu, co doprowadziło do wygenerowania bryły o objętości \(V_1\). W drugim przypadku oś obrotu poprowadzono przez środki dwóch przeciwległych boków kwadratu, uzyskując bryłę o objętości \(V_2\). Wykaż, że stosunek objętości bryły \(V_1\) do objętości bryły \(V_2\) jest równy \(\dfrac{2\sqrt{2}}{3}\).
Stosunek objętości brył wynosi \(\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{2\sqrt{2}}{3}\), co należało wykazać.
Wskazówki:
- Zauważ, że obrót kwadratu wokół przekątnej nie tworzy pojedynczego stożka, lecz bryłę złożoną z dwóch przystających stożków złączonych wspólną podstawą kołową. Promień tej podstawy oraz wysokość każdego ze stożków są równe połowie długości przekątnej kwadratu (\(r_1 = h_1 = \dfrac{a\sqrt{2}}{2}\)).
- Obrót kwadratu wokół osi symetrii łączącej środki przeciwległych boków daje walec prosty, którego wysokość jest równa bokowi kwadratu (\(h_2 = a\)), a promień podstawy to odległość osi od brzegu figury, czyli połowa boku (\(r_2 = \dfrac{a}{2}\)).
- Uwaga na typowy błąd: Najczęstszą pułapką jest przyjęcie boku kwadratu \(a\) jako promienia podstawy stożka (promieniem jest połowa przekątnej, a nie bok kwadratu!) lub zapomnienie o pomnożeniu objętości stożka przez \(2\). Kategorycznie nie wolno ograniczać się do wzoru \(\frac{1}{3}\pi r^2 h\), ponieważ powstała bryła rozciąga się symetrycznie po obu stronach płaszczyzny podstawy, tworząc dwa złączone stożki.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Rysunek pomocniczy i analiza geometryczna osi obrotu:
Rozważmy kwadrat o wierzchołkach \(A, B, C, D\) i boku długości \(a\). Przekątna kwadratu ma długość \(d = a\sqrt{2}\). W płaszczyźnie kwadratu zaznaczamy dwie badane osie symetrii: prostą zawierającą przekątną \(AC\) (Oś I) oraz prostą łączącą środki boków \(AB\) i \(CD\) (Oś II). -
Wyznaczenie objętości bryły \(V_1\) (obrót wokół przekątnej):
W trakcie pełnego obrotu wokół przekątnej \(AC\) wierzchołki \(B\) i \(D\) zakreślają okrąg o promieniu równym połowie drugiej przekątnej: $$r_1 = \dfrac{d}{2} = \dfrac{a\sqrt{2}}{2}$$ Okąg ten jest wspólną podstawą dwóch przystających stożków o wysokościach równych połowie przekątnej osiowej: $$h_1 = \dfrac{d}{2} = \dfrac{a\sqrt{2}}{2}$$ Objętość całej bryły \(V_1\) jest sumą objętości obu tych stożków: $$\begin{aligned} V_1 &= 2 \cdot \left(\dfrac{1}{3}\pi r_1^2 \cdot h_1\right) \\[8pt] &= \dfrac{2}{3}\pi \cdot \left(\dfrac{a\sqrt{2}}{2}\right)^2 \cdot \dfrac{a\sqrt{2}}{2} \\[8pt] &= \dfrac{2}{3}\pi \cdot \dfrac{2a^2}{4} \cdot \dfrac{a\sqrt{2}}{2} \\[8pt] &= \dfrac{2}{3}\pi \cdot \dfrac{a^2}{2} \cdot \dfrac{a\sqrt{2}}{2} \\[8pt] &= \dfrac{\sqrt{2}}{6}\pi a^3 \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie objętości bryły \(V_2\) (obrót wokół osi symetrii boków):
W trakcie obrotu kwadratu wokół osi łączącej środki przeciwległych boków powstaje walec prosty. Promień jego podstawy stanowi odległość krawędzi kwadratu od osi obrotu: $$r_2 = \dfrac{a}{2}$$ Wysokość walca odpowiada długości całego boku kwadratu: $$h_2 = a$$ Obliczamy objętość walca: $$\begin{aligned} V_2 &= \pi r_2^2 \cdot h_2 \\[8pt] &= \pi \cdot \left(\dfrac{a}{2}\right)^2 \cdot a \\[8pt] &= \pi \cdot \dfrac{a^2}{4} \cdot a \\[8pt] &= \dfrac{1}{4}\pi a^3 \end{aligned}$$ -
Obliczenie stosunku objętości brył \(\dfrac{V_1}{V_2}\) i podsumowanie dowodu:
Tworzymy iloraz wyznaczonych objętości obu brył: $$\begin{aligned} \dfrac{V_1}{V_2} &= \dfrac{\dfrac{\sqrt{2}}{6}\pi a^3}{\dfrac{1}{4}\pi a^3} \\[8pt] &= \dfrac{\dfrac{\sqrt{2}}{6}}{\dfrac{1}{4}} \\[8pt] &= \dfrac{\sqrt{2}}{6} \cdot 4 \\[8pt] &= \dfrac{4\sqrt{2}}{6} \\[8pt] &= \dfrac{2\sqrt{2}}{3} \end{aligned}$$ Otrzymany wynik jest zgodny z tezą. Stosunek objętości pierwszej bryły do drugiej wynosi \(\dfrac{2\sqrt{2}}{3}\), co kończy dowód.
Odpowiedź:
Wykazano, że stosunek objętości brył wynosi \(\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{2\sqrt{2}}{3}\).
Wykazano, że stosunek objętości brył wynosi \(\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{2\sqrt{2}}{3}\).
Zadanie 4
W przezroczystej kuli o promieniu \(R\) umieszczono dekoracyjny element w kształcie stożka. Wierzchołek stożka styka się z powierzchnią kuli w jej biegunie, natomiast krawędź jego kołowej podstawy pokrywa się z obwodem koła wielkiego kuli, jak zilustrowano na poniższym schemacie. Oblicz stosunek objętości wpisanego stożka do objętości całej kuli.
Stosunek objętości stożka do objętości kuli wynosi \(\dfrac{1}{4}\) (czyli \(1 : 4\)).
Wskazówki:
- Zauważ relację między wymiarami kuli a stożka: skoro podstawa stożka jest kołem wielkim kuli, jej promień \(r\) jest dokładnie równy promieniowi kuli \(R\). Wierzchołek leży w biegunie kuli, a więc jego odległość od środka podstawy (środka kuli) to wysokość stożka \(H = R\).
- Czego kategorycznie nie wolno robić: Nie przyjmuj bezrefleksyjnie, że wysokość wpisanego stożka wynosi \(2R\). Podstawa stożka nie leży na przeciwległym biegunie kuli, lecz na płaszczyźnie koła wielkiego przechodzącej przez środek kuli, dlatego \(H = R\), a nie \(2R\). Błędne założenie \(H = 2R\) podwoiłoby objętość stożka i dało fałszywy stosunek \(\dfrac{1}{2}\).
- Zwróć uwagę na kolejność dzielenia w ułamku piętrowym: zadanie pyta o stosunek objętości stożka do objętości kuli (\(\dfrac{V_s}{V_k}\)), a nie kuli do stożka (\(\dfrac{V_k}{V_s}\)).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Analiza zależności geometrycznych i rysunek pomocniczy:
Niech \(R\) oznacza promień kuli, \(r\) promień podstawy stożka, a \(H\) jego wysokość. Z warunków zadania wynika, że podstawa stożka jest kołem wielkim kuli. Oznacza to, że środek podstawy stożka pokrywa się ze środkiem kuli \(S\), skąd otrzymujemy: $$r = R$$ Wierzchołek stożka \(W\) znajduje się w biegunie kuli na prostej prostopadłej do płaszczyzny podstawy i przechodzącej przez punkt \(S\). Odcinek \(SW\) łączy środek kuli z punktem leżącym na jej powierzchni, zatem jego długość jest równa promieniowi kuli: $$H = R$$ -
Wyznaczenie objętości kuli oraz objętości stożka:
Wzór na objętość kuli o promieniu \(R\) ma postać: $$V_k = \dfrac{4}{3}\pi R^3$$ Objętość stożka obliczamy ze standardowego wzoru na objętość bryły o polu podstawy \(P_p = \pi r^2\) i wysokości \(H\). Podstawiając \(r = R\) oraz \(H = R\), otrzymujemy: $$\begin{aligned} V_s &= \dfrac{1}{3}\pi r^2 \cdot H \\[8pt] &= \dfrac{1}{3}\pi R^2 \cdot R \\[8pt] &= \dfrac{1}{3}\pi R^3 \end{aligned}$$ -
Obliczenie stosunku objętości stożka do objętości kuli:
Tworzymy iloraz objętości obu brył, a następnie upraszczamy powstały ułamek piętrowy poprzez skracanie wspólnego czynnika \(\pi R^3\): $$\begin{aligned} \dfrac{V_s}{V_k} &= \dfrac{\dfrac{1}{3}\pi R^3}{\dfrac{4}{3}\pi R^3} \\[8pt] &= \dfrac{\dfrac{1}{3}}{\dfrac{4}{3}} \\[8pt] &= \dfrac{1}{3} \cdot \dfrac{3}{4} \\[8pt] &= \dfrac{1}{4} \end{aligned}$$ -
Rysunek wynikowy i interpretacja geometryczna:
Przekrój osiowy całego układu ukazuje stożek jako trójkąt wpisany w koło wielkie kuli. Ponieważ \(\dfrac{1}{3} : \dfrac{4}{3} = \dfrac{1}{4}\), objętość wpisanego stożka stanowi dokładnie \(25\%\) objętości kuli.
Odpowiedź:
Stosunek objętości stożka do objętości kuli wynosi \(\dfrac{1}{4}\) (co odpowiada proporcji \(1 : 4\)).
Stosunek objętości stożka do objętości kuli wynosi \(\dfrac{1}{4}\) (co odpowiada proporcji \(1 : 4\)).
Zadanie 5
W szklanej kuli o objętości równej \(2304\pi\text{ cm}^3\) osadzono bryłę w kształcie stożka w taki sposób, że jego wierzchołek oraz okrąg podstawy leżą bezpośrednio na powierzchni kuli. Wiedząc, że kąt rozwarcia tego stożka wynosi \(60^\circ\), wyznacz jego objętość.
\(V = 648\pi\text{ cm}^3\)
Wskazówki:
- Wykorzystaj wzór na objętość kuli \(V_k = \dfrac{4}{3}\pi R^3\), aby w pierwszej kolejności obliczyć jej promień \(R\).
- Rozważ przekrój osiowy całego układu: przekrojem stożka jest trójkąt równoramienny o kącie przy wierzchołku \(60^\circ\), co oznacza, że jest to trójkąt równoboczny wpisany w koło wielkie kuli o promieniu \(R\).
- Uwaga na typowy błąd: Kategorycznie nie wolno zakładać, że środek kuli pokrywa się ze środkiem podstawy stożka (czyli że \(H = R\) lub \(r = R\)). W trójkącie równobocznym środek okręgu opisanego dzieli wysokość w stosunku \(2:1\), zatem wysokość stożka to \(H = \dfrac{3}{2}R\), a podstawa stożka znajduje się w odległości \(\dfrac{1}{2}R\) od środka kuli.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Analiza geometryczna układu i sporządzenie rysunku pomocniczego:
Przekrój osiowy stożka wpisanego w kulę tworzy trójkąt równoramienny \(ABC\) wpisany w okrąg wielki kuli o środku \(O\) i promieniu \(R\). Punkt \(C\) to wierzchołek stożka, a odcinek \(AB\) to średnica jego podstawy o długości \(2r\). Ponieważ kąt rozwarcia wynosi \(\spherical角 ACB = 60^\circ\), kąty przy podstawie mają miary: $$\alpha = \dfrac{180^\circ - 60^\circ}{2} = 60^\circ$$ Wszystkie kąty wewnętrzne tego przekroju są równe \(60^\circ\), zatem przekrój osiowy stożka jest trójkątem równobocznym o boku równym tworzącej \(l = 2r\). -
Wyznaczenie promienia kuli \(R\) ze wzoru na jej objętość:
Wstawiamy daną objętość kuli \(V_k = 2304\pi\text{ cm}^3\) do wzoru ogólnego: $$\begin{aligned} V_k &= \dfrac{4}{3}\pi R^3 \\[8pt] \dfrac{4}{3}\pi R^3 &= 2304\pi \end{aligned}$$ Dzielimy obie strony równania przez \(\pi\) oraz mnożymy przez \(\dfrac{3}{4}\): $$\begin{aligned} R^3 &= 2304 \cdot \dfrac{3}{4} \\[8pt] R^3 &= 576 \cdot 3 \\[8pt] R^3 &= 1728 \end{aligned}$$ Pierwiastkujemy obustronnie stopniem trzecim: $$R = \sqrt[3]{1728} = 12\text{ cm}$$ -
Obliczenie wysokości \(H\) oraz promienia podstawy \(r\) stożka:
Sposób I – Wykorzystanie własności trójkąta równobocznego i okręgu opisanego:
Okrąg wielki kuli jest okręgiem opisanym na trójkącie równobocznym przekroju osiowego. W trójkącie równobocznym promień okręgu opisanego stanowi dokładnie \(\dfrac{2}{3}\) jego wysokości: $$\begin{aligned} R &= \dfrac{2}{3}H \\[8pt] H &= \dfrac{3}{2}R \\[8pt] H &= \dfrac{3}{2} \cdot 12 = 18\text{ cm} \end{aligned}$$ Znając wysokość trójkąta równobocznego \(H = \dfrac{l\sqrt{3}}{2}\), wyznaczamy długość boku \(l = 2r\): $$\begin{aligned} 18 &= \dfrac{2r \cdot \sqrt{3}}{2} \\[8pt] r\sqrt{3} &= 18 \\[8pt] r &= \dfrac{18}{\sqrt{3}} = \dfrac{18\sqrt{3}}{3} = 6\sqrt{3}\text{ cm} \end{aligned}$$
Sposób II – Wykorzystanie twierdzenia Pitagorasa w trójkącie prostokątnym \(O S_p B\):
Wysokość stożka wynosi \(H = |CS_p|\). Środek kuli \(O\) leży na wysokości stożka, przy czym odległość od wierzchołka \(C\) do środka \(O\) to promień kuli \(|CO| = R = 12\text{ cm}\). Odległość środka kuli od płaszczyzny podstawy wynosi: $$d = |OS_p| = H - R = 18 - 12 = 6\text{ cm}$$ W trójkącie prostokątnym \(O S_p B\) przeciwprostokątną jest promień kuli \(R\), a przyprostokątnymi są odcinek \(d\) oraz promień podstawy \(r\): $$\begin{aligned} r^2 + d^2 &= R^2 \\[8pt] r^2 + 6^2 &= 12^2 \\[8pt] r^2 + 36 &= 144 \\[8pt] r^2 &= 108 \\[8pt] r &= \sqrt{108} = 6\sqrt{3}\text{ cm} \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie objętości stożka i zestawienie wymiarów na rysunku wynikowym:
Mając promień podstawy \(r = 6\sqrt{3}\text{ cm}\) (skąd \(r^2 = 108\text{ cm}^2\)) oraz wysokość \(H = 18\text{ cm}\), obliczamy objętość bryły: $$\begin{aligned} V &= \dfrac{1}{3}\pi r^2 H \\[8pt] V &= \dfrac{1}{3}\pi \cdot 108 \cdot 18 \\[8pt] V &= 108 \cdot 6\pi \\[8pt] V &= 648\pi\text{ cm}^3 \end{aligned}$$
Odpowiedź:
Objętość stożka wynosi \(648\pi\text{ cm}^3\).
Objętość stożka wynosi \(648\pi\text{ cm}^3\).
Grupa B
Zadanie 1
Trójkątną płytkę o ramionach prostopadłych długości \(9\text{ cm}\) oraz \(12\text{ cm}\) wprawiono w pełny ruch obrotowy wokół jej najdłuższego boku. Ustal pole powierzchni całkowitej bryły zakreślonej w trakcie tego obrotu.
\(151{,}2\pi\text{ cm}^2\)
Zadanie 2
Płaska tarcza w kształcie równoległoboku o bokach długości \(8\text{ cm}\) oraz \(12\text{ cm}\) posiada kąt ostry o mierze \(60^\circ\). Oblicz miarę objętości \(V\) oraz pole powierzchni całkowitej \(P_c\) bryły geometrycznej wygenerowanej przez pełny obrót tej tarczy wokół jej dłuższego boku.
\(V = 576\pi\text{ cm}^3\), \(P_c = 160\sqrt{3}\pi\text{ cm}^2\)
Zadanie 3
Cienką blaszkę w kształcie rombu o boku długości \(a\) i kącie ostrym o mierze \(60^\circ\) obracano w przestrzeni wokół jej prostych symetrii leżących w płaszczyźnie figury. Obrót wokół prostej zawierającej dłuższą przekątną rombu utworzył bryłę o objętości \(V_1\), natomiast obrót wokół prostej zawierającej krótszą przekątną rombu wygenerował bryłę o objętości \(V_2\). Oblicz stosunek objętości \(\dfrac{V_1}{V_2}\).
\(\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{\sqrt{3}}{3}\)
Zadanie 4
W kulistym zbiorniku przemysłowym umieszczono lejek o stożkowym kształcie. Kołowy wlot lejka leży w płaszczyźnie koła wielkiego zbiornika i pokrywa się z nim, a dolny wierzchołek sięga najniższego punktu kuli, jak zilustrowano na schemacie obok. Wyznacz stosunek objętości kuli do objętości tego stożka.
Stosunek objętości kuli do objętości stożka wynosi \(4 : 1\) (czyli objętość kuli jest \(4\) razy większa od objętości zamontowanego stożka).
Zadanie 5
W kulisty pojemnik o objętości równej \(\dfrac{256}{3}\pi\text{ cm}^3\) wpisano bryłę stożka w taki sposób, że wierzchołek stożka oraz obwód jego podstawy stykają się ze ściankami kuli. Kąt między tworzącymi w przekroju osiowym tego stożka wynosi \(60^\circ\). Oblicz objętość wpisanego stożka.
\(V = 24\pi\text{ cm}^3\)
