Evaluarea Națională

Secțiuni paralele cu baza; trunchiul de piramidă și trunchiul de con

Secțiuni paralele cu baza

Fie o piramidă cu vârful VV și înălțimea VO=HVO = H (unde OO este centrul bazei). Un plan paralel cu baza taie piramida după un poligon și separă un corp mai mic (o piramidă asemenea) de restul corpului. Proprietatea fundamentală: secțiunea este un poligon asemenea cu baza, cu același centru pe axa piramidei.

Dacă notăm cu hh distanța de la vârful VV la planul secțiunii, atunci raportul de asemănare este k=hH=latura secțiuniilatura bazei=apotema secțiuniiapotema bazei.k = \frac{h}{H} = \frac{\text{latura secțiunii}}{\text{latura bazei}} = \frac{\text{apotema secțiunii}}{\text{apotema bazei}}. Toate lungimile corespunzătoare (laturi, apoteme, raze, perimetre) se înmulțesc cu kk. Deoarece la figuri asemenea raportul ariilor este pătratul raportului de asemănare, avem AsecțiuneAbaza˘=k2.\frac{A_{\text{secțiune}}}{A_{\text{bază}}} = k^2. De exemplu, un plan dus la jumătatea înălțimii (k=12k = \tfrac{1}{2}) dă o secțiune cu aria egală cu un sfert din aria bazei, nu jumătate — greșeala clasică.

La con lucrurile sunt identice: o secțiune paralelă cu baza este un cerc de rază r=kRr = k\cdot R, unde RR este raza bazei și k=hHk = \frac{h}{H}.

Trunchiul de piramidă regulată

Dacă din piramida regulată păstrăm partea cuprinsă între bază și planul de secțiune (aruncând piramida mică de la vârf), obținem un trunchi de piramidă regulată. Elementele sale:

  • două baze paralele, poligoane regulate asemenea: baza mare (aria ABA_B, apotema aBa_B) și baza mică (aria AbA_b, apotema aba_b);
  • fețele laterale sunt trapeze isoscele congruente (câte unul pentru fiecare latură a bazei);
  • înălțimea trunchiului hh = distanța dintre planele celor două baze (segmentul OOOO' care unește centrele);
  • apotema trunchiului ata_t = înălțimea unei fețe laterale (segmentul care unește mijloacele celor două laturi paralele ale unui trapez); ea satisface at2=h2+(aBab)2;a_t^2 = h^2 + (a_B - a_b)^2;
  • muchia laterală mm (latura neparalelă a trapezului): m2=h2+(RBRb)2m^2 = h^2 + (R_B - R_b)^2, unde RBR_B, RbR_b sunt razele cercurilor circumscrise bazelor.

Relațiile pentru apotemă și muchie provin din triunghiuri dreptunghice: proiectând baza mică pe baza mare, catetele orizontale sunt diferențele de apoteme, respectiv de raze, iar cateta verticală este hh.

Trunchiul de con circular drept

Secționând un con circular drept cu un plan paralel cu baza și păstrând partea de jos, obținem un trunchi de con circular drept. Elementele lui:

  • două baze — două cercuri paralele, de raze RR (baza mare) și rr (baza mică), cu centrele pe axă;
  • generatoarea GG = segmentul de pe suprafața laterală care unește cele două cercuri;
  • înălțimea hh = distanța dintre planele bazelor;
  • generatoarea satisface G2=h2+(Rr)2,G^2 = h^2 + (R - r)^2, din triunghiul dreptunghic format de generatoare, înălțime și diferența razelor.

Secțiunea axială (planul care trece prin axă) a trunchiului de con este un trapez isoscel cu bazele 2R2R și 2r2r, laturile neparalele egale cu GG și înălțimea hh.

Pentru arii și volume complete ale trunchiurilor vezi lecțiile dedicate; aici reținem doar relațiile de bază Altrunchi pir.=(PB+Pb)at2A_l^{\text{trunchi pir.}} = \frac{(P_B + P_b)\cdot a_t}{2} și Altrunchi con=πG(R+r)A_l^{\text{trunchi con}} = \pi G (R + r).

Formule

  • Raportul de asemănare al secțiunii: k=hH=latura secțiuniilatura bazeik = \frac{h}{H} = \frac{\text{latura secțiunii}}{\text{latura bazei}}

  • Raportul ariilor (secțiune / bază): AsecțiuneAbaza˘=k2\frac{A_{\text{secțiune}}}{A_{\text{bază}}} = k^2

  • Raza secțiunii într-un con: r=kR,k=hHr = k\cdot R,\quad k=\frac{h}{H}

  • Apotema trunchiului de piramidă regulată: at2=h2+(aBab)2a_t^2 = h^2 + (a_B - a_b)^2

  • Muchia laterală a trunchiului de piramidă: m2=h2+(RBRb)2m^2 = h^2 + (R_B - R_b)^2

  • Generatoarea trunchiului de con: G2=h2+(Rr)2G^2 = h^2 + (R - r)^2

  • Aria laterală a trunchiului de piramidă regulată: Al=(PB+Pb)at2A_l = \frac{(P_B + P_b)\cdot a_t}{2}

  • Aria laterală a trunchiului de con: Al=πG(R+r)A_l = \pi G (R + r)

Exemple rezolvate

Exemplul 1

O piramidă patrulateră regulată are latura bazei 1212 cm și înălțimea VO=18VO = 18 cm. Un plan paralel cu baza intersectează piramida la distanța de 1212 cm de vârf. Aflați latura secțiunii și raportul dintre aria secțiunii și aria bazei.

Raportul de asemănare este k=hH=1218=23k = \dfrac{h}{H} = \dfrac{12}{18} = \dfrac{2}{3}.

Latura secțiunii =k12=2312=8= k \cdot 12 = \dfrac{2}{3}\cdot 12 = 8 cm.

Raportul ariilor este AsecțiuneAbaza˘=k2=(23)2=49\dfrac{A_{\text{secțiune}}}{A_{\text{bază}}} = k^2 = \left(\dfrac{2}{3}\right)^2 = \dfrac{4}{9}.

Verificare: aria bazei =122=144=12^2 = 144 cm², aria secțiunii =82=64= 8^2 = 64 cm², iar 64144=49\dfrac{64}{144} = \dfrac{4}{9}. ✓

Exemplul 2

Un trunchi de piramidă regulată patrulateră are latura bazei mari AB=14AB = 14 cm, latura bazei mici AB=6A'B' = 6 cm și înălțimea h=3h = 3 cm. Calculați apotema trunchiului.

Apotema unei baze pătrate este jumătatea laturii:

  • apotema bazei mari: aB=142=7a_B = \dfrac{14}{2} = 7 cm;
  • apotema bazei mici: ab=62=3a_b = \dfrac{6}{2} = 3 cm.

Apotema trunchiului se obține din triunghiul dreptunghic cu catetele hh și aBaba_B - a_b: at2=h2+(aBab)2=32+(73)2=9+16=25,a_t^2 = h^2 + (a_B - a_b)^2 = 3^2 + (7-3)^2 = 9 + 16 = 25, deci at=5a_t = 5 cm.

Fiecare față laterală este un trapez isoscel cu bazele 1414 și 66 și înălțimea (apotema trunchiului) egală cu 55 cm.

Exemplul 3

Un trunchi de con circular drept are razele bazelor R=9R = 9 cm și r=4r = 4 cm, iar înălțimea h=12h = 12 cm. Aflați generatoarea.

Aplicăm relația generatoarei într-un trunchi de con: G2=h2+(Rr)2=122+(94)2=144+25=169,G^2 = h^2 + (R - r)^2 = 12^2 + (9-4)^2 = 144 + 25 = 169, deci G=13G = 13 cm.

Acest lucru corespunde laturii neparalele a trapezului isoscel din secțiunea axială, care are bazele 2R=182R = 18 și 2r=82r = 8.

Greșeli frecvente

  • Confundarea raportului ariilor cu raportul de asemănare: la o secțiune dusă la jumătatea înălțimii ($k=\tfrac{1}{2}$) aria secțiunii este $k^2 = \tfrac{1}{4}$ din aria bazei, NU jumătate. Ariile se raportează cu $k^2$, lungimile cu $k$.
  • În formula apotemei trunchiului se folosește diferența apotemelor bazelor, $a_t^2 = h^2 + (a_B-a_b)^2$, nu diferența laturilor sau diferența razelor circumscrise; pentru muchia laterală se folosesc razele: $m^2 = h^2 + (R_B-R_b)^2$.
  • Fețele laterale ale unui trunchi de piramidă regulată sunt trapeze ISOSCELE (nu dreptunghiuri și nu triunghiuri): trunchiul nu are vârf, deci fețele nu se termină într-un punct.
  • La generatoarea trunchiului de con se scade diferența razelor, $G^2 = h^2 + (R-r)^2$; a folosi $R+r$ sau $R^2-r^2$ sub radical este greșit.

Pe scurt

  1. Secțiune paralelă cu baza ⇒ poligon (sau cerc) asemenea cu baza, cu raportul de asemănare k=hHk = \dfrac{h}{H} (distanța de la vârf împărțită la înălțime).
  2. Lungimile se înmulțesc cu kk; ariile cu k2k^2: AsecțiuneAbaza˘=k2\dfrac{A_{\text{secțiune}}}{A_{\text{bază}}} = k^2.
  3. Trunchiul de piramidă regulată = partea dintre bază și secțiune; are două baze asemenea, fețe laterale trapeze isoscele congruente, înălțimea hh și apotema at2=h2+(aBab)2a_t^2 = h^2 + (a_B-a_b)^2.
  4. Trunchiul de con are două baze cercuri (raze RR și rr), generatoarea G2=h2+(Rr)2G^2 = h^2 + (R-r)^2 și secțiunea axială un trapez isoscel.
  5. Diferența cheie: apotema trunchiului folosește diferența apotemelor, iar muchia laterală (respectiv generatoarea) folosește diferența razelor.

Exersează această lecție →

Grile și probleme cu feedback imediat pe barem.