Evaluarea Națională

Prisma dreaptă (baze: triunghi echilateral, pătrat, hexagon): arii și volume

Prisma dreaptă — elemente

O prismă dreaptă este corpul geometric mărginit de două baze — poligoane congruente, situate în plane paralele — și de fețe laterale dreptunghiulare. Muchiile laterale sunt perpendiculare pe planele bazelor, deci muchia laterală este chiar înălțimea prismei: AA=hAA' = h. Dacă baza este un poligon regulat, prisma se numește prismă regulată: triunghiulară regulată ABCABCABCA'B'C' (baza triunghi echilateral), patrulateră regulată ABCDABCDABCDA'B'C'D' (baza pătrat) și hexagonală regulată ABCDEFABCDEFABCDEFA'B'C'D'E'F' (baza hexagon regulat).

Formulele generale ale prismei drepte

Desfășurând suprafața laterală obținem un dreptunghi cu dimensiunile PbP_b (perimetrul bazei) și hh, de aceea: Al=Pbh,At=Al+2Ab,V=Abh,A_l = P_b \cdot h, \qquad A_t = A_l + 2A_b, \qquad V = A_b \cdot h, unde AbA_b este aria bazei. Atenție: la arie totală se adună ambele baze.

Ariile și perimetrele bazelor

  • Triunghi echilateral de latură ll: Ab=l234A_b = \dfrac{l^2\sqrt{3}}{4}, înălțimea l32\dfrac{l\sqrt{3}}{2}, Pb=3lP_b = 3l.
  • Pătrat de latură ll: Ab=l2A_b = l^2, diagonala l2l\sqrt{2}, Pb=4lP_b = 4l.
  • Hexagon regulat de latură ll: se descompune în 66 triunghiuri echilaterale cu vârful în centrul OO, deci Ab=6l234=3l232A_b = 6\cdot\dfrac{l^2\sqrt{3}}{4} = \dfrac{3l^2\sqrt{3}}{2}; apotema este l32\dfrac{l\sqrt{3}}{2}, diagonala mare (care trece prin centru) este 2l2l, iar Pb=6lP_b = 6l.

Exemplu inline: prisma triunghiulară regulată cu l=2l = 2 cm și h=5h = 5 cm are Ab=3A_b = \sqrt{3} cm², Al=65=30A_l = 6\cdot 5 = 30 cm², At=30+23A_t = 30 + 2\sqrt{3} cm² și V=53V = 5\sqrt{3} cm³.

Diagonalele feței și ale prismei

Fiecare față laterală este un dreptunghi cu dimensiunile ll și hh, deci diagonala feței laterale este, din teorema lui Pitagora, df=l2+h2d_f = \sqrt{l^2 + h^2}.

Prisma patrulateră regulată este un paralelipiped dreptunghic cu baza pătrat, deci diagonala prismei (de exemplu BDBD') este d=l2+l2+h2=2l2+h2d = \sqrt{l^2 + l^2 + h^2} = \sqrt{2l^2 + h^2}. Justificarea: DD(ABCD)DD' \perp (ABCD) (prismă dreaptă), deci DDBDDD' \perp BD și triunghiul BDDBDD' este dreptunghic în DD, cu BD=l2BD = l\sqrt{2}.

Prisma hexagonală regulată are diagonala mare AD=(2l)2+h2=4l2+h2AD' = \sqrt{(2l)^2 + h^2} = \sqrt{4l^2 + h^2}, pentru că AD=2lAD = 2l (diagonala mare a hexagonului) și triunghiul ADDADD' este dreptunghic în DD (DDDD' \perp planul bazei).

Aceste triunghiuri dreptunghice sunt și cheia problemelor de tip 6b): unghiul dintre o diagonală și planul bazei este unghiul dintre diagonală și proiecția ei pe bază (de exemplu DAD^\widehat{D'AD}, cu tgDAD^=hAD\text{tg}\,\widehat{D'AD} = \dfrac{h}{AD}), iar distanțele de la vârfuri la plane se calculează cu teorema celor trei perpendiculare, demonstrând fiecare perpendicularitate.

Observație despre unități

Ariile se exprimă în unități pătrate (cm², m²), volumele în unități cubice (cm³, m³); 11 dm³ =1= 1 litru, 11=1000= 1000 litri — transformările apar des în problemele cu context practic (acvarii, rezervoare, cutii).

Formule

  • Aria laterală a prismei drepte: Al=PbhA_l = P_b \cdot h

  • Aria totală a prismei drepte: At=Al+2AbA_t = A_l + 2A_b

  • Volumul prismei drepte: V=AbhV = A_b \cdot h

  • Aria triunghiului echilateral: A=l234A = \frac{l^2\sqrt{3}}{4}

  • Înălțimea triunghiului echilateral: h=l32h_{\triangle} = \frac{l\sqrt{3}}{2}

  • Aria pătratului: A=l2A = l^2

  • Diagonala pătratului: d=l2d = l\sqrt{2}

  • Aria hexagonului regulat: A=3l232A = \frac{3l^2\sqrt{3}}{2}

  • Apotema hexagonului regulat: a6=l32a_6 = \frac{l\sqrt{3}}{2}

  • Diagonala mare a hexagonului regulat: d=2ld = 2l

  • Perimetrele bazelor: P3=3l,P4=4l,P6=6lP_3 = 3l,\quad P_4 = 4l,\quad P_6 = 6l

  • Diagonala feței laterale: df=l2+h2d_f = \sqrt{l^2 + h^2}

  • Diagonala prismei patrulatere regulate: d=2l2+h2d = \sqrt{2l^2 + h^2}

  • Diagonala mare a prismei hexagonale regulate: D=4l2+h2D = \sqrt{4l^2 + h^2}

Exemple rezolvate

Exemplul 1

Prisma triunghiulară regulată ABCABCABCA'B'C' are latura bazei AB=10AB = 10 cm și înălțimea AA=12AA' = 12 cm. Calculați aria laterală, aria totală și volumul prismei.

Perimetrul bazei: Pb=310=30P_b = 3\cdot 10 = 30 cm.

Aria laterală: Al=Pbh=3012=360A_l = P_b\cdot h = 30\cdot 12 = 360 cm².

Aria bazei (triunghi echilateral): Ab=l234=10034=253A_b = \dfrac{l^2\sqrt{3}}{4} = \dfrac{100\sqrt{3}}{4} = 25\sqrt{3} cm².

Aria totală: At=Al+2Ab=360+2253=360+503A_t = A_l + 2A_b = 360 + 2\cdot 25\sqrt{3} = 360 + 50\sqrt{3} cm².

Volumul: V=Abh=25312=3003V = A_b\cdot h = 25\sqrt{3}\cdot 12 = 300\sqrt{3} cm³.

Exemplul 2

O prismă hexagonală regulată are latura bazei l=5l = 5 cm și înălțimea h=4h = 4 cm. Calculați aria laterală, aria totală și volumul prismei.

Perimetrul bazei: Pb=65=30P_b = 6\cdot 5 = 30 cm, deci Al=304=120A_l = 30\cdot 4 = 120 cm².

Aria bazei (hexagon regulat): Ab=3l232=32532=7532A_b = \dfrac{3l^2\sqrt{3}}{2} = \dfrac{3\cdot 25\sqrt{3}}{2} = \dfrac{75\sqrt{3}}{2} cm².

Aria totală: At=Al+2Ab=120+27532=120+753A_t = A_l + 2A_b = 120 + 2\cdot\dfrac{75\sqrt{3}}{2} = 120 + 75\sqrt{3} cm².

Volumul: V=Abh=75324=1503V = A_b\cdot h = \dfrac{75\sqrt{3}}{2}\cdot 4 = 150\sqrt{3} cm³.

Exemplul 3

Prisma patrulateră regulată ABCDABCDABCDA'B'C'D' are latura bazei AB=4AB = 4 cm și înălțimea AA=2AA' = 2 cm. Calculați aria totală, volumul și diagonala BDBD' a prismei.

Aria bazei: Ab=42=16A_b = 4^2 = 16 cm²; perimetrul bazei: Pb=16P_b = 16 cm.

Al=162=32A_l = 16\cdot 2 = 32 cm², deci At=Al+2Ab=32+32=64A_t = A_l + 2A_b = 32 + 32 = 64 cm².

Volumul: V=Abh=162=32V = A_b\cdot h = 16\cdot 2 = 32 cm³.

Diagonala bazei: BD=l2=42BD = l\sqrt{2} = 4\sqrt{2} cm. Cum prisma este dreaptă, DD(ABCD)DD' \perp (ABCD), deci DDBDDD' \perp BD și triunghiul BDDBDD' este dreptunghic în DD. Din teorema lui Pitagora: BD=BD2+DD2=(42)2+22=32+4=36=6 cm.BD' = \sqrt{BD^2 + DD'^2} = \sqrt{(4\sqrt{2})^2 + 2^2} = \sqrt{32 + 4} = \sqrt{36} = 6 \text{ cm}.

Greșeli frecvente

  • Se folosește formula piramidei $V = \frac{A_b \cdot h}{3}$ pentru volumul prismei. Corect: la prismă $V = A_b \cdot h$ (fără împărțirea la 3).
  • La aria totală se adaugă o singură bază: $A_t = A_l + A_b$. Corect: prisma are două baze, deci $A_t = A_l + 2A_b$.
  • Aria triunghiului echilateral se scrie $\frac{l^2\sqrt{3}}{2}$ (confuzie cu înălțimea $\frac{l\sqrt{3}}{2}$). Corect: $A = \frac{l^2\sqrt{3}}{4}$.
  • Aria hexagonului regulat se calculează greșit ca $6l^2$ sau $l^2\sqrt{3}$. Corect: hexagonul e format din 6 triunghiuri echilaterale, deci $A = 6 \cdot \frac{l^2\sqrt{3}}{4} = \frac{3l^2\sqrt{3}}{2}$.
  • Se confundă diagonala bazei (la pătrat $l\sqrt{2}$) sau diagonala feței laterale ($\sqrt{l^2+h^2}$) cu diagonala prismei ($\sqrt{2l^2+h^2}$ la prisma patrulateră regulată). Corect: se identifică exact segmentul cerut și triunghiul dreptunghic din care se calculează.

Pe scurt

  • Prisma dreaptă: muchiile laterale sunt perpendiculare pe baze, deci muchia laterală == înălțimea hh; fețele laterale sunt dreptunghiuri.
  • Formulele de bază: Al=PbhA_l = P_b \cdot h, At=Al+2AbA_t = A_l + 2A_b, V=AbhV = A_b \cdot h.
  • Ariile bazelor: triunghi echilateral l234\frac{l^2\sqrt{3}}{4}, pătrat l2l^2, hexagon regulat 3l232\frac{3l^2\sqrt{3}}{2} (6 triunghiuri echilaterale).
  • Diagonale: fața laterală l2+h2\sqrt{l^2+h^2}; prisma patrulateră regulată 2l2+h2\sqrt{2l^2+h^2}; diagonala mare a prismei hexagonale 4l2+h2\sqrt{4l^2+h^2} (căci diagonala mare a hexagonului este 2l2l).
  • Diagonalele se calculează din triunghiuri dreptunghice formate cu muchia laterală (DDDD' \perp planul bazei) — același triunghi dă și unghiul dintre diagonală și bază.
  • Nu uita: volumul prismei nu se împarte la 3 (aceea este formula piramidei).

Exersează această lecție →

Grile și probleme cu feedback imediat pe barem.