29.7 Ostrosłupy
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym długość krawędzi podstawy jest równa 12 cm, a kąt nachylenia krawędzi bocznej do płaszczyzny podstawy ma miarę $30^\circ$. Oblicz:
a) długość krawędzi bocznej,
b) wysokość ostrosłupa,
c) wysokość ściany bocznej.
a) Długość krawędzi bocznej wynosi $4\sqrt{6}$ cm.
b) Wysokość ostrosłupa wynosi $2\sqrt{6}$ cm.
c) Wysokość ściany bocznej wynosi $2\sqrt{15}$ cm.
Oznaczmy długość krawędzi podstawy jako $a = 12$ cm, krawędź boczną jako $b$, wysokość ostrosłupa jako $H$ i wysokość ściany bocznej jako $h_s$. Kąt nachylenia krawędzi bocznej do płaszczyzny podstawy oznaczmy jako $\alpha = 30^\circ$.
Podstawą ostrosłupa jest kwadrat o boku $a$. Przekątna tego kwadratu, $d$, ma długość:\[d = a\sqrt{2} = 12\sqrt{2} \text{ cm}\]Kąt $\alpha$ jest kątem w trójkącie prostokątnym utworzonym przez wysokość ostrosłupa $H$, krawędź boczną $b$ (jako przeciwprostokątną) i połowę przekątnej podstawy $d/2$.\[\frac{d}{2} = \frac{12\sqrt{2}}{2} = 6\sqrt{2} \text{ cm}\]a) Obliczamy długość krawędzi bocznej $b$:
Korzystamy z funkcji cosinus:\[\cos(\alpha) = \frac{d/2}{b}\]\[\cos(30^\circ) = \frac{6\sqrt{2}}{b}\]\[\frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{6\sqrt{2}}{b}\]\[b\sqrt{3} = 12\sqrt{2}\]\[b = \frac{12\sqrt{2}}{\sqrt{3}} = \frac{12\sqrt{6}}{3} = 4\sqrt{6} \text{ cm}\]b) Obliczamy wysokość ostrosłupa $H$:
Korzystamy z funkcji tangens:\[\tan(\alpha) = \frac{H}{d/2}\]\[\tan(30^\circ) = \frac{H}{6\sqrt{2}}\]\[\frac{\sqrt{3}}{3} = \frac{H}{6\sqrt{2}}\]\[H = \frac{6\sqrt{2} \cdot \sqrt{3}}{3} = 2\sqrt{6} \text{ cm}\]c) Obliczamy wysokość ściany bocznej $h_s$:
Wysokość ściany bocznej $h_s$ jest przeciwprostokątną w trójkącie prostokątnym, którego przyprostokątnymi są wysokość ostrosłupa $H$ i połowa długości krawędzi podstawy $a/2$.\[\frac{a}{2} = \frac{12}{2} = 6 \text{ cm}\]Z twierdzenia Pitagorasa:\[h_s^2 = H^2 + (\frac{a}{2})^2\]\[h_s^2 = (2\sqrt{6})^2 + 6^2\]\[h_s^2 = 4 \cdot 6 + 36 = 24 + 36 = 60\]\[h_s = \sqrt{60} = \sqrt{4 \cdot 15} = 2\sqrt{15} \text{ cm}\]
Zadanie 2 (4 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym długość krawędzi podstawy jest równa $6$ cm, a krawędzi bocznej – $5$ cm. Oblicz:
a) wysokość tego ostrosłupa,
b) wysokość ściany bocznej poprowadzoną na krawędź podstawy,
c) odległość spodka wysokości ostrosłupa od krawędzi bocznej.
a) $H = \sqrt{7}$ cm
b) $h_s = 4$ cm
c) $d = \frac{3\sqrt{14}}{5}$ cm
Oznaczmy długość krawędzi podstawy jako $a$, długość krawędzi bocznej jako $b$, a wysokość ostrosłupa jako $H$.
Mamy dane: $a = 6$ cm oraz $b = 5$ cm.
a) Aby obliczyć wysokość ostrosłupa $H$, korzystamy z trójkąta prostokątnego, którego bokami są: wysokość $H$, połowa przekątnej podstawy ($d_p/2$) oraz krawędź boczna $b$.
Przekątna kwadratu o boku $a$ wynosi $d_p = a\sqrt{2}$.\[d_p = 6\sqrt{2} \ \text{cm}\]Połowa przekątnej podstawy to:\[\frac{1}{2}d_p = \frac{1}{2} \cdot 6\sqrt{2} = 3\sqrt{2} \ \text{cm}\]Z twierdzenia Pitagorasa:\[H^2 + (\frac{1}{2}d_p)^2 = b^2\]\[H^2 + (3\sqrt{2})^2 = 5^2\]\[H^2 + 18 = 25\]\[H^2 = 7\]\[H = \sqrt{7} \ \text{cm}\]b) Aby obliczyć wysokość ściany bocznej ($h_s$), korzystamy z trójkąta prostokątnego, którego bokami są: wysokość ściany bocznej $h_s$, połowa krawędzi podstawy ($a/2$) oraz krawędź boczna $b$.
Połowa krawędzi podstawy to:\[\frac{1}{2}a = \frac{1}{2} \cdot 6 = 3 \ \text{cm}\]Z twierdzenia Pitagorasa:\[h_s^2 + (\frac{1}{2}a)^2 = b^2\]\[h_s^2 + 3^2 = 5^2\]\[h_s^2 + 9 = 25\]\[h_s^2 = 16\]\[h_s = 4 \ \text{cm}\]c) Odległość spodka wysokości ostrosłupa od krawędzi bocznej ($d$) to wysokość w trójkącie prostokątnym o przyprostokątnych $H=\sqrt{7}$ i $\frac{1}{2}d_p=3\sqrt{2}$, poprowadzona na przeciwprostokątną $b=5$. Pole tego trójkąta ($P_t$) można obliczyć na dwa sposoby:\[P_t = \frac{1}{2} \cdot H \cdot \frac{1}{2}d_p = \frac{1}{2} \cdot \sqrt{7} \cdot 3\sqrt{2} = \frac{3\sqrt{14}}{2}\]\[P_t = \frac{1}{2} \cdot b \cdot d = \frac{1}{2} \cdot 5 \cdot d\]Porównując oba wzory na pole, otrzymujemy:\[\frac{1}{2} \cdot 5 \cdot d = \frac{3\sqrt{14}}{2}\]\[5d = 3\sqrt{14}\]\[d = \frac{3\sqrt{14}}{5} \ \text{cm}\]
Zadanie 3 (3 pkt)
Krawędź podstawy ostrosłupa prawidłowego czworokątnego ma długość $12$ cm, a wysokość ściany bocznej jest równa $12$ cm. Oblicz:
a) miarę kąta nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy,
b) odległość spodka wysokości tego ostrosłupa od ściany bocznej.
a) Miara kąta nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy wynosi $60^\circ$.
b) Odległość spodka wysokości tego ostrosłupa od ściany bocznej wynosi $3\sqrt{3}$ cm.
Oznaczmy dane: $a = 12$ cm to długość krawędzi podstawy, a $h_s = 12$ cm to wysokość ściany bocznej. Szukamy kąta nachylenia ściany bocznej do podstawy, oznaczmy go jako $\alpha$, oraz odległości spodka wysokości od ściany bocznej, którą oznaczymy jako $d$.
Rozważmy trójkąt prostokątny utworzony przez wysokość ostrosłupa $H$, połowę długości krawędzi podstawy $r$ oraz wysokość ściany bocznej $h_s$. W tym trójkącie $h_s$ jest przeciwprostokątną, a kąt $\alpha$ jest kątem między $r$ a $h_s$.
Obliczamy długość $r$:\[r = \frac{1}{2}a = \frac{1}{2} \cdot 12 = 6 \ \text{cm}\]a) Obliczenie miary kąta $\alpha$.
Korzystając z definicji cosinusa w trójkącie prostokątnym:\[\cos(\alpha) = \frac{r}{h_s}\]Podstawiamy wartości:\[\cos(\alpha) = \frac{6}{12} = \frac{1}{2}\]Z tablic wartości funkcji trygonometrycznych odczytujemy, że kąt, którego cosinus wynosi $\frac{1}{2}$, to $60^\circ$.\[\alpha = 60^\circ\]b) Obliczenie odległości $d$.
Odległość $d$ spodka wysokości ostrosłupa od ściany bocznej jest wysokością w opisanym wcześniej trójkącie prostokątnym, poprowadzoną z wierzchołka kąta prostego na przeciwprostokątną $h_s$. W trójkącie prostokątnym, którego przyprostokątną jest $d$, a przeciwprostokątną $r$, mamy zależność:\[\sin(\alpha) = \frac{d}{r}\]Stąd:\[d = r \cdot \sin(\alpha)\]Podstawiamy znane wartości $r = 6$ cm i $\alpha = 60^\circ$:\[d = 6 \cdot \sin(60^\circ) = 6 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = 3\sqrt{3} \ \text{cm}\]
Zadanie 4 (2 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym trójkątnym krawędź podstawy ma długość $6$ cm, a krawędź boczna $4$ cm. Oblicz:
a) wysokość tego ostrosłupa,
b) miarę kąta nachylenia krawędzi bocznej ostrosłupa do płaszczyzny podstawy.
a) Wysokość ostrosłupa wynosi $2$ cm.
b) Miara kąta nachylenia krawędzi bocznej do płaszczyzny podstawy wynosi $30^\circ$.
Oznaczmy długość krawędzi podstawy jako $a = 6$ cm, a długość krawędzi bocznej jako $b = 4$ cm. Podstawą ostrosłupa jest trójkąt równoboczny o boku $a$.
Wysokość ostrosłupa $H$ opada na spodek wysokości podstawy, który jest jednocześnie środkiem okręgu opisanego na podstawie. Promień $R$ okręgu opisanego na trójkącie równobocznym o boku $a$ jest równy dwóm trzecim wysokości tego trójkąta i wynosi $R = \frac{a\sqrt{3}}{3}$.
Obliczamy długość promienia $R$:\[R = \frac{6\sqrt{3}}{3} = 2\sqrt{3} \ \text{cm}\]a) Wysokość ostrosłupa $H$, krawędź boczna $b$ i promień $R$ tworzą trójkąt prostokątny, w którym $b$ jest przeciwprostokątną. Z twierdzenia Pitagorasa mamy:\[H^2 + R^2 = b^2\]\[H^2 + (2\sqrt{3})^2 = 4^2\]\[H^2 + 4 \cdot 3 = 16\]\[H^2 + 12 = 16\]\[H^2 = 4\]\[H = 2 \ \text{cm}\]b) Kąt nachylenia krawędzi bocznej do płaszczyzny podstawy to kąt $\alpha$ w wyżej opisanym trójkącie prostokątnym, leżący między bokami $b$ i $R$. Możemy obliczyć jego miarę, korzystając z funkcji cosinus:\[\cos \alpha = \frac{R}{b}\]\[\cos \alpha = \frac{2\sqrt{3}}{4} = \frac{\sqrt{3}}{2}\]Zatem miara kąta $\alpha$ wynosi:\[\alpha = 30^\circ\]
Zadanie 5 (4 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym kąt między przeciwległymi krawędziami bocznymi ma miarę $90^\circ$. Przekątna podstawy ostrosłupa ma długość $8$ cm. Oblicz:
a) sumę długości wszystkich krawędzi tego ostrosłupa,
b) miarę kąta zawartego między dwiema sąsiednimi krawędziami bocznymi ostrosłupa.
a) Suma długości wszystkich krawędzi wynosi $32\sqrt{2}$ cm.
b) Miara kąta zawartego między dwiema sąsiednimi krawędziami bocznymi wynosi $60^\circ$.
Niech $d$ oznacza długość przekątnej podstawy, $b$ długość krawędzi bocznej, a $a$ długość krawędzi podstawy.
Z treści zadania wiemy, że $d = 8$ cm.
Przeciwległe krawędzie boczne wraz z przekątną podstawy tworzą trójkąt prostokątny równoramienny, ponieważ kąt między nimi wynosi $90^\circ$. Z twierdzenia Pitagorasa obliczamy długość krawędzi bocznej $b$:\[b^2 + b^2 = d^2\]\[2b^2 = 8^2\]\[2b^2 = 64\]\[b^2 = 32\]\[b = \sqrt{32} = 4\sqrt{2} \ \text{cm}\]Podstawą ostrosłupa jest kwadrat. Długość krawędzi podstawy $a$ obliczamy ze wzoru na przekątną kwadratu:\[d = a\sqrt{2}\]\[8 = a\sqrt{2}\]\[a = \frac{8}{\sqrt{2}} = \frac{8\sqrt{2}}{2} = 4\sqrt{2} \ \text{cm}\]a) Obliczamy sumę długości wszystkich krawędzi. Ostrosłup ma 4 krawędzie podstawy o długości $a$ i 4 krawędzie boczne o długości $b$.\[S = 4a + 4b\]Ponieważ $a = b = 4\sqrt{2}$ cm, mamy:\[S = 4 \cdot 4\sqrt{2} + 4 \cdot 4\sqrt{2} = 16\sqrt{2} + 16\sqrt{2} = 32\sqrt{2} \ \text{cm}\]b) Kąt między dwiema sąsiednimi krawędziami bocznymi jest kątem wierzchołkowym w trójkącie ściany bocznej. Ściana boczna jest trójkątem o bokach $a, b, b$.
Skoro $a = b$, to ściany boczne są trójkątami równobocznymi.
Wszystkie kąty w trójkącie równobocznym mają miarę $60^\circ$. Zatem szukany kąt wynosi $60^\circ$.
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym długość krawędzi podstawy jest równa 16 cm, a kąt nachylenia krawędzi bocznej do płaszczyzny podstawy ma miarę $45^\circ$. Oblicz:
a) długość krawędzi bocznej,
b) wysokość ostrosłupa,
c) wysokość ściany bocznej.
a) Długość krawędzi bocznej wynosi $16$ cm.
b) Wysokość ostrosłupa wynosi $8\sqrt{2}$ cm.
c) Wysokość ściany bocznej wynosi $8\sqrt{3}$ cm.
Zadanie 2 (4 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym długość krawędzi podstawy jest równa $12\sqrt{2}$ cm, a krawędzi bocznej – $13$ cm. Oblicz:
a) wysokość tego ostrosłupa,
b) wysokość ściany bocznej poprowadzoną na krawędź podstawy,
c) odległość spodka wysokości ostrosłupa od krawędzi bocznej.
odpowiedz
Zadanie 3 (3 pkt)
Krawędź podstawy ostrosłupa prawidłowego czworokątnego ma długość $8$ cm, a wysokość ściany bocznej jest równa $4\sqrt{2}$ cm. Oblicz:
a) miarę kąta nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy,
b) odległość spodka wysokości tego ostrosłupa od ściany bocznej.
a) Miara kąta nachylenia ściany bocznej do płaszczyzny podstawy wynosi $45^\circ$.
b) Odległość spodka wysokości tego ostrosłupa od ściany bocznej wynosi $2\sqrt{2}$ cm.
Zadanie 4 (2 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym trójkątnym krawędź podstawy ma długość $6\sqrt{3}$ cm, a krawędź boczna $10$ cm. Oblicz:
a) wysokość tego ostrosłupa,
b) miarę kąta nachylenia krawędzi bocznej ostrosłupa do płaszczyzny podstawy.
a) Wysokość ostrosłupa wynosi $8$ cm.
b) Cosinus kąta nachylenia krawędzi bocznej do płaszczyzny podstawy wynosi $\frac{3}{5}$ (co odpowiada kątowi ok. $53,13^\circ$).
Zadanie 5 (4 pkt)
W ostrosłupie prawidłowym czworokątnym kąt między przeciwległymi krawędziami bocznymi ma miarę $90^\circ$. Przekątna podstawy ostrosłupa ma długość $10\sqrt{2}$ m. Oblicz:
a) sumę długości wszystkich krawędzi tego ostrosłupa,
b) miarę kąta zawartego między dwiema sąsiednimi krawędziami bocznymi ostrosłupa.
a) Suma długości wszystkich krawędzi wynosi $80$ m.
b) Miara kąta zawartego między dwiema sąsiednimi krawędziami bocznymi wynosi $60^\circ$.
