На сайте уже были рассмотрены некоторые типы задач по стереометрии, которые входят в единый банк заданий экзамена по математике. Например, задания про .
Призма называется правильной если её боковые перпендикулярны основаниям и в основаниях лежит правильный многоугольник. То есть правильная призма – это прямая призма, у которой в основании правильный многоугольник.
Правильная шестиугольная призма – в основании правильный шестиугольник, боковые грани – прямоугольники.
В этой статье для вас задачи на решение призмы, в основании которой лежит правильный шестиугольник . Особенностей и сложностей в решении нет никаких. В чём суть? Дана правильная шестиугольная призма, требуется вычислить расстояние между двумя вершинами или найти заданный угол. Задачи на самом деле простые, в итоге решение сводится к нахождению элемента в прямоугольном треугольнике.
Используется теорема Пифагора и . Необходимо знание определений тригонометрических функций в прямоугольном треугольнике.
Обязательно посмотрите информацию о правильном шестиугольнике в . Ещё вам пригодится навык извлечения их большого числа. Можете на решение многогранников, там тоже вычисляли расстояние между вершинами и углы.
Кратко: что представляет собой правильный шестиугольник?
Известно, что в правильном шестиугольнике стороны равны. Кроме этого, углы между сторонами тоже равны .
*Противолежащие стороны параллельны.
Дополнительная информация
Радиус окружности описанной около правильного шестиугольника равен его стороне. *Это подтверждается очень просто: если мы соединим противоположные вершины шестиугольника, то получим шесть равных равносторонних треугольников. Почему равносторонних?
У каждого треугольника угол при его вершине лежащей в центре равен 60 0 (360:6=60). Так как у треугольника две стороны имеющие общую вершину в центре равны (это радиусы описанной окружности), то каждый угол при основании такого равнобедренного треугольника так же равен 60 градусам.
То есть правильный шестиугольник, образно говоря, состоит как бы из шести равных равносторонних треугольников.
Какой полезный для решения задач факт ещё следует отметить? Угол при вершине шестиугольника (угол между его соседними сторонами) равен 120 градусам.
*Умышленно не коснулись формул правильного N-угольника. Данные формулы мы подробно рассмотрим в будущем, здесь они просто не нужны.
Рассмотрим задачи:
272533. В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны 48. Найдите расстояние между точками A и E 1 .
Рассмотрим прямоугольный треугольник AA 1 E 1 . По теореме Пифагора:
*Угол между сторонами правильного шестиугольника равен 120 градусам.
Отрезок АЕ 1 является гипотенузой, АА 1 и А 1 Е 1 катеты. Ребро АА 1 нам известно. Катет А 1 Е 1 мы можем найти используя используя .
Теорема: Квадрат любой стороны треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон без удвоенного произведения этих сторон на косинус угла между ними.
Следовательно
По теореме Пифагора:
Ответ: 96
*Обратите внимание, что 48 возводить в квадрат совсем не обязательно.
В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны 35. Найдите расстояние между точками B и E.
Сказано, что все рёбра равны 35, то есть сторона шестиугольника лежащего в основании равна 35. А так же, как уже сказано, радиус описанной около него окружности равен этому же числу.
Таким образом,
Ответ: 70
273353. В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны сорока корням из пяти. Найдите расстояние между точками B и E 1 .
Рассмотрим прямоугольный треугольник BB 1 E 1 . По теореме Пифагора:
Отрезок B 1 E 1 равен двум радиусам описанной около правильного шестиугольника окружности, а её радиус равен стороне шестиугольника, то есть
Таким образом,
Ответ: 200
273683. В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны 45. Найдите тангенс угла AD 1 D.
Рассмотрим прямоугольный треугольник ADD 1 , в котором AD равно диаметру окружности, описанной вокруг основания. Известно, что радиус окружности, описанной вокруг правильного шестиугольника равен его стороне.
Таким образом,
Ответ: 2
В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны 23. Найдите угол DAB . Ответ дайте в градусах.
Рассмотрим правильный шестиугольник:
В нём углы между сторонами равны 120°. Значит,
Сама длина ребра не имеет значения, на величину угла она не влияет.
Ответ: 60
В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны 10. Найдите угол AC 1 C. Ответ дайте в градусах.
Рассмотрим прямоугольный треугольник AC 1 C:
Найдём AC . В правильном шестиугольнике углы между его сторонами равны 120 градусам, тогда по теореме косинусов для треугольника АВС :
Таким образом,
Значит, угол AC 1 C равен 60 градусам.
Ответ: 60
274453. В правильной шестиугольной призме ABCDEFA 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 все ребра равны 10. Найдите угол AC 1 C. Ответ дайте в градусах.
Из каждой вершины призмы, например из вершины А 1 (рис.), можно провести три диагонали (A 1 E, A 1 D, A 1 C).
Они проектируются на плоскость ABCDEF диагоналями основания (АЕ, AD, АС). Из наклонных A 1 E, A 1 D, A 1 C наибольшая та, у которой проекция - самая большая. Следовательно, наибольшая из трех взятых диагоналей есть A 1 D (в призме есть еще диагонали, равные A 1 D, но больших нет).
Из треугольника A 1 AD, где ∠DA 1 A = α
и A 1 D = d
, находим H=AA 1 = d
cos α
,
AD = d
sin α
.
Площадь равностороннего треугольника АОВ равна 1 / 4 АО 2 √3 . Следовательно,
S ocн. = 6 1 / 4 АО 2 √3 = 6 1 / 4 (АD / 2) 2 √3 .
Объем V = S H = 3√ 3 / 8 АD 2 АA 1
Ответ: 3√ 3 / 8 d 3 sin 2 α cos α .
Замечание . Для изображения правильного шестиугольника (основания призмы) можно построить произвольный параллелограмм BCDO. Откладывая на продолжениях прямых DO, CO, ВО отрезки OA = OD, OF= OC и ОЕ= ОВ, получаем шестиугольник ABCDEF. Точка О изображает центр.
Правильная шестиугольная призма - призма, в основаниях которой лежат два правильных шестиугольника, а все боковые грани строго перпендикулярны этим основаниям.
- A B C D E F A 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 - правильная шестиугольная призма
- a - длина стороны основания призмы
- h - длина бокового ребра призмы
- S осн . - площадь основания призмы
- S бок . - площадь боковой грани призмы
- S полн . - площадь полной поверхности призмы
- V призмы - объем призмы
Площадь оснований призмы
В основаниях призмы находятся правильные шестиугольники со стороной a
. По свойствам правильного шестиугольника, площадь оснований призмы равна
Таким образ
S осн . = 3 3 √ 2 ⋅ a 2
Таким образом, получается, что S A B C D E F = S A 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 1 = 3 3 √ 2 ⋅ a 2
Площадь полной поверхности призмы
Площадь полной поверхности призмы складывается из площадей боковых граней призмы и площадей ее оснований. Каждая из боковых граней призмы является прямоугольником со сторонами a и h . Следовательно, по свойствам прямоугольника
S
бок . = a ⋅ hУ призмы шесть боковых граней и два основания, следовательно, площадь ее полной поверхности равна
S полн . = 6 ⋅ S бок . + 2 ⋅ S осн . = 6 ⋅ a ⋅ h + 2 ⋅ 3 3 √ 2 ⋅ a 2
Объем призмы
Объем призмы вычисляется как произведение площади ее основания на ее высоту. Высотой правильной призмы является любое из ее боковых ребер, например, ребро A A 1 . В основании правильной шестиугольной призмы находится правильный шестиугольник, площадь которого нам известна. Получаем
V призмы = S осн . ⋅ A A 1 = 3 3 √ 2 ⋅ a 2 ⋅ h
Правильный шестиугольник в основаниях призмы
Рассматриваем правильный шестиугольник ABCDEF, лежащий в основании призмы.
Проводим отрезки AD, BE и CF. Пусть пересечением этих отрезков является точка O.
По свойствам правильного шестиугольника, треугольники AOB, BOC, COD, DOE, EOF, FOA являются правильными треугольниками. Отсюда следует, что
A O = O D = E O = O B = C O = O F = a
Проводим отрезок AE, пересекающийся с отрезком CF в точке M. Треугольник AEO равнобедренный, в нём A O = O E = a , ∠ E O A = 120 ∘ . По свойствам равнобедренного треугольника.
A E = a ⋅ 2 (1 − cos E O A ) − − − − − − − − − − − − √ = 3 √ ⋅ a
Аналогичным образом приходим к заключению, что A C = C E = 3 √ ⋅ a , F M = M O = 1 2 ⋅ a .
Находим E A 1
В треугольнике A E A 1 :
- A A 1 = h
- A E = 3 √ ⋅ a - как мы только что выяснили
- ∠ E A A 1 = 90 ∘
A E A 1
E A 1 = A A 2 1 + A E 2 − − − − − − − − − − √ = h 2 + 3 ⋅ a 2 − − − − − − − − √
Если h = a , то тогда E A 1 = 2 ⋅ a
F
B
1
=
A
C
1
=
B
D
1
=
C
E
1
=
D
F
1
=
h
2
+
3
⋅
a
2
−
−
−
−
−
−
−
−
√
.
В треугольнике B E B 1 :
- B B 1 = h
- B E = 2 ⋅ a - потому что E O = O B = a
- ∠ E B B 1 = 90 ∘ - по свойствам правильной прязмы
Таким образом, получается, что треугольник B E B 1 прямоугольный. По свойствам прямоугольного треугольника
E B 1 = B B 2 1 + B E 2 − − − − − − − − − − √ = h 2 + 4 ⋅ a 2 − − − − − − − − √
Если h = a , то тогда
E B 1 = 5 √ ⋅ a
После аналогичных рассуждений получаем, что F
C
1
=
A
D
1
=
B
E
1
=
C
F
1
=
D
A
1
=
h
2
+
4
⋅
a
2
−
−
−
−
−
−
−
−
√
.
Находим O F 1
В треугольнике F O F 1 :
- F F 1 = h
- F O = a
- ∠ O F F 1 = 90 ∘ - по свойствам правильной призмы
Таким образом, получается, что треугольник F O F 1 прямоугольный. По свойствам прямоугольного треугольника
O F 1 = F F 2 1 + O F 2 − − − − − − − − − − √ = h 2 + a 2 − − − − − − √
Если h = a , то тогда
Разные призмы непохожи друг на друга. В то же время у них много общего. Чтобы найти площадь основания призмы, потребуется разобраться в том, какой вид оно имеет.
Общая теория
Призмой является любой многогранник, боковые стороны которого имеют вид параллелограмма. При этом в ее основании может оказаться любой многогранник - от треугольника до n-угольника. Причем основания призмы всегда равны друг другу. Что не относится к боковым граням — они могут существенно различаться по размерам.
При решении задач встречается не только площадь основания призмы. Может потребоваться знание боковой поверхности, то есть всех граней, которые не являются основаниями. Полной поверхностью уже будет объединение всех граней, которые составляют призму.
Иногда в задачах фигурирует высота. Она является перпендикуляром к основаниям. Диагональю многогранника является отрезок, который соединяет попарно две любые вершины, не принадлежащие одной грани.
Следует отметить, что площадь основания прямой призмы или наклонной не зависит от угла между ними и боковыми гранями. Если у них одинаковые фигуры в верхней и нижней гранях, то их площади будут равными.
Треугольная призма
Она имеет в основании фигуру, имеющую три вершины, то есть треугольник. Он, как известно, бывает разным. Если то достаточно вспомнить, что его площадь определяется половиной произведения катетов.
Математическая запись выглядит так: S = ½ ав.
Чтобы узнать площадь основания в общем виде, пригодятся формулы: Герона и та, в которой берется половина стороны на высоту, проведенную к ней.
Первая формула должна быть записана так: S = √(р (р-а) (р-в) (р-с)). В этой записи присутствует полупериметр (р), то есть сумма трех сторон, разделенная на два.
Вторая: S = ½ н а * а.
Если требуется узнать площадь основания треугольной призмы, которая является правильной, то треугольник оказывается равносторонним. Для него существует своя формула: S = ¼ а 2 * √3.
Четырехугольная призма
Ее основанием является любой из известных четырехугольников. Это может быть прямоугольник или квадрат, параллелепипед или ромб. В каждом случае для того, чтобы вычислить площадь основания призмы, будет нужна своя формула.
Если основание — прямоугольник, то его площадь определяется так: S = ав, где а, в — стороны прямоугольника.
Когда речь идет о четырехугольной призме, то площадь основания правильной призмы вычисляется по формуле для квадрата. Потому что именно он оказывается лежащим в основании. S = а 2 .
В случае когда основание — это параллелепипед, будет нужно такое равенство: S = а * н а. Бывает такое, что даны сторона параллелепипеда и один из углов. Тогда для вычисления высоты потребуется воспользоваться дополнительной формулой: н а = в * sin А. Причем угол А прилегает к стороне «в», а высота н а противолежащая к этому углу.
Если в основании призмы лежит ромб, то для определения его площади будет нужна та же формула, что для параллелограмма (так как он является его частным случаем). Но можно воспользоваться и такой: S = ½ d 1 d 2 . Здесь d 1 и d 2 - две диагонали ромба.
Правильная пятиугольная призма
Этот случай предполагает разбиение многоугольника на треугольники, площади которых узнать проще. Хотя бывает, что фигуры могут быть с другим количеством вершин.
Поскольку основание призмы — правильный пятиугольник, то он может быть разделен на пять равносторонних треугольников. Тогда площадь основания призмы равна площади одного такого треугольника (формулу можно посмотреть выше), умноженной на пять.
Правильная шестиугольная призма
По принципу, описанному для пятиугольной призмы, удается разбить шестиугольник основания на 6 равносторонних треугольников. Формула площади основания такой призмы подобна предыдущей. Только в ней следует умножать на шесть.
Выглядеть формула будет таким образом: S = 3/2 а 2 * √3.
Задачи
№ 1. Дана правильная прямая Ее диагональ равна 22 см, высота многогранника — 14 см. Вычислить площадь основания призмы и всей поверхности.
Решение. Основанием призмы является квадрат, но его сторона не известна. Найти ее значение можно из диагонали квадрата (х), которая связана с диагональю призмы (d) и ее высотой (н). х 2 = d 2 - н 2 . С другой стороны, этот отрезок «х» является гипотенузой в треугольнике, катеты которого равны стороне квадрата. То есть х 2 = а 2 + а 2 . Таким образом получается, что а 2 = (d 2 - н 2)/2.
Подставить вместо d число 22, а «н» заменить его значением — 14, то получается, что сторона квадрата равна 12 см. Теперь просто узнать площадь основания: 12 * 12 = 144 см 2 .
Чтобы узнать площадь всей поверхности, нужно сложить удвоенное значение площади основания и учетверенную боковую. Последнюю легко найти по формуле для прямоугольника: перемножить высоту многогранника и сторону основания. То есть 14 и 12, это число будет равно 168 см 2 . Общая площадь поверхности призмы оказывается 960 см 2 .
Ответ. Площадь основания призмы равна 144 см 2 . Всей поверхности - 960 см 2 .
№ 2. Дана В основании лежит треугольник со стороной 6 см. При этом диагональ боковой грани составляет 10 см. Вычислить площади: основания и боковой поверхности.
Решение. Так как призма правильная, то ее основанием является равносторонний треугольник. Поэтому его площадь оказывается равна 6 в квадрате, умноженному на ¼ и на корень квадратный из 3. Простое вычисление приводит к результату: 9√3 см 2 . Это площадь одного основания призмы.
Все боковые грани одинаковые и представляют собой прямоугольники со сторонами 6 и 10 см. Чтобы вычислить их площади, достаточно перемножить эти числа. Потом умножить их на три, потому что боковых граней у призмы именно столько. Тогда площадь боковой поверхности оказывается раной 180 см 2 .
Ответ. Площади: основания - 9√3 см 2 , боковой поверхности призмы - 180 см 2 .
