Многогранники, вписанные в шар. Основные определения и теоремы. Определение. Сфера называется описанной около многогранника (или многогранник, вписанным в сферу), если все вершины многогранника лежат на этой сфере.
Слайд 8 из презентации ««Задачи по геометрии» 11 класс» . Размер архива с презентацией 1032 КБ.«Объёмы геометрических тел» - Объемы многогранников. Понятие объема. Объем пирамиды. Конус выноса. Объем прямой призмы. Ответ. Науки стремятся к математике. Успеха в изучении материала. Объем прямоугольного параллелепипеда. Рисунки и чертежи. Объем правильной четырехугольной пирамиды. Свойства площадей. Площадь. Ребро куба. Понятие объема тел. Квадрат. Объем цилиндра. Конус. Многоугольник. Геометрические фигуры. Три латунных куба.
«Векторы в пространстве» - Координаты вектора. Разности. Векторы в пространстве. Разность двух векторов. Умножение двух векторов. Действия с векторами. Единственный вектор. Умение выполнять действия. Правило многоугольника. Соноправленные векторы. Определение вектора. Действие с векторами. Векторы являются некомпланарными. Решение.
«Геометрические задачи в ЕГЭ» - Площадь поверхности многогранника. Найдите тангенс внешнего угла. В создании презентации принимали участие. Варианты задач. Площадь треугольника. Площадь трапеции. Найдите площадь треугольника. Площадь части круга. Основной справочный материал. Планиметрия. Типичные ошибки. Основы геометрии. Устные упражнения. Возможные задания. Уметь выполнять действия с геометрическими фигурами. Найдите объем многогранника.
«Вычислить объём тела вращения» - Конус. Найдите объём. Шар. Цилиндр и конус. Цилиндр. Объём конуса. Сфера. Виды тел вращения. Фигура. Объём V конуса. Определение конуса. Цилиндрический сосуд. Определение цилиндра. Цилиндры вокруг нас. Объёмы тел вращения. Куб. Радиусы.
«Координаты вектора в пространстве» - Учебник. Решение. Абсолютная величина. Сумма векторов. Разность векторов. Общее начало. Координата. Рисунок. Величина и направление вектора. Произведение вектора. Длина отрезка. Действия над векторами в пространстве. Плоскости. Доказательство. Скалярное произведение векторов. Векторы в пространстве.
««Движение» 11 класс» - Симметрия в архитектуре. Осевая симметрия. Параллельный перенос. Движение. Симметрия в растениях. Скользящая симметрия. Симметрия в животном мире. Введение. Поворот. Центральная симметрия. Движение. Зеркальная симметрия.
Определение. Сфера называется вписанной в многогранник , если плоскости всех граней многогранника касаются сферы в тачках, расположенных внутри этих граней. При этом многогранник называется описанным около сферы.
Теорема 1. В произвольный тетраэдр можно вписать сферу (шар).
Множество точек, равноудаленных от боковых граней тетраэдра есть прямая пересечения двух биссекторных плоскостей двугранных углов при двух боковых ребрах. Эту прямую пересечет биссекторная плоскость двугранного угла при основании. Полученная точка равноудалена от всех граней тетраэдра.
В тетраэдре ABCD плоскости CDN и ADM являются биссекторными плоскостями двугранных углов при боковых ребрах CD и AD. Они пересекаются по прямой OD. Плоскость AKC является бисссекторной плоскостью двугранного угла при основании (ребро AC). Эта плоскость пересечет прямую OD в точке S (P – точка пересечения прямых DM и KC, принадлежащая плоскостям AKC и ADM одновременно, следовательно точка S – точка пересечения AP и OD), которая будет являться точкой, равноудаленной от всех граней тетраэдра и, следовательно, будет являться центром сферы, вписанной в тетраэдр ABCD.
Пример 1 . Найти радиус сферы, вписанной в правильный тетраэдр.
Рассмотрим подобные треугольники DPS и DOK (по двум углам: угол D – общий, углы DPS и DOK – прямые).
Тогда PS:KO=DS:DK,
если учесть, что PS=r=SO и DS=DO-SO=DO-r,
, , то 
.
Ответ: радиус сферы, вписанной в правильный тетраэдр равен
Теорема 2. В правильную пирамиду можно вписать сферу.
Теорема 3. В правильную усеченную пирамиду можно вписать сферу тогда и только тогда, когда ее апофема равна сумме радиусов окружностей, вписанных в ее основания.
Теорема 4. В любую призму можно вписать сферу, если в ее перпендикулярное сечение можно вписать окружность, радиус которой равен половине высоты призмы.
Теорема 5. В правильную призму можно вписать сферу тогда и только тогда, когда высота призмы равна диаметру окружности, вписанной в ее основание.
Сферы, описанные около цилиндра, конуса и
Усеченного конуса.
Определение. Сфера называется описанной около цилиндра или усеченного конуса , если все точки окружностей оснований принадлежат сфере; Сфера называется описанной около конуса , если все точки окружности основания, а также вершина конуса принадлежат сфере.
В этих случаях говорят, что цилиндр, усеченный конус или конус вписан в сферу.
Теорема 1. Около произвольного цилиндра можно описать сферу.
О 1 и О 2 – центры нижнего и верхнего основания соответственно. Прямая О 1 О 2 перпендикулярна плоскостям основания. Проведем плоскость, проходящую через середину образующей цилиндра, перпендикулярно этой образующей. Эта плоскость будет параллельна плоскостям основания и пересекать прямую О 1 О 2 в точке О, которая и будет являться центром сферы, описанной около цилиндра. Расстояние от точки О до всех точек основания будет равным, так как О 1 О 2 является ГМТ, равноудаленных от окружности (прямая, проходящая через центр окружности и перпендикулярна плоскости окружности). Значит точка О является центром сферы с радиусом ОА, описанной около цилиндра.
Теорема 2. Около усеченного конуса можно описать сферу.
О 1 и О 2 – центры нижнего и верхнего основания соответственно. Прямая О 1 О 2 перпендикулярна плоскостям основания. Рассмотрим образующую усеченного конуса АВ. Найдем ГМТ, равноудаленных от тачек А и В. Им будет являть плоскость, проходящая через точку Р – середину АВ и перпендикулярная этой прямой. Эта плоскость пересечет О 1 О 2 в точке О, которая будет равноудалена от точек А и В. Также очевидно, что точка О будет равноудалена от все точек оснований усеченного конуса. Следовательно эта точка О будет являться центром сферы с радиусом ОА, описанной около усеченного конуса.
Теорема 3. Около конуса можно описать сферу.
Аналогично прошлой теореме ОА – высота конуса, которая является ГМТ, равноудаленных от окружности. Рассмотрим образующую АВ и найдем ГМТ, равноудаленных от А и В. Полученная плоскость (по предыдущей задаче) пересечет ОА в точке О 1 , которая будет равноудалена от точек А и В, как и от любых точек основания конуса. Таким образом мы получили, что точка О 1 является центром сферы с радиусом О 1 А, описанной около конуса.
Открытый урок по теме «Вписанные и описанные многогранники»
Тема урока: Сфера, вписанная в пирамиду. Сфера, описанная около пирамиды.
Тип урока: Урок ознакомления с новым материалом.Цели урока:Развитиелогического мышления, алгоритмической культуры, пространственного воображения, развитие математического мышления и интуиции, творческих способностей на уровне, необходимом для продолжения образования и для самостоятельной деятельности в области математики и ее приложений в будущей профессиональной деятельности;
Презентация «Вписанная и описанная сфера»
Условия задач в рисунках на доске. Раздаточный материал (опорные конспекты).
В правильной четырехугольной пирамиде сторона основания равна а , высота равна h . Найдите радиус сферы, вписанной в пирамиду.
D. Учащиеся решают задачу.
Задача. В правильной треугольной пирамиде сторона основания равна 4, боковые грани наклонены к основанию под углом 60 0 . Найдите радиус, вписанной в эту пирамиду сферы.
4. Осмысление темы при самостоятельном составлении конспекта по « Сфера, описанная около многогранника » и применение при решении задач.
А. Учащиеся самостоятельно заполняют конспект по теме «Сфера, описанная около многогранника». Отвечают на следующие вопросы:
Сформулируйте определение сферы, описанной около многогранника.
Как называется многогранник, около которого можно описать сферу?
Каким свойством обладает центр описанной около многогранника сферы?
Что представляет собой множество точек пространства, равноудаленных от двух точек?
Какая точка является центром сферы, описанной около многогранника?
Где может быть расположен центр сферы, описанной около пирамиды? (многогранника?)
Около какого многогранника можно описать сферу?
В. Учащиеся самостоятельно решают задачу.
Задача. В правильной треугольной пирамиде сторона основания равна 3, а боковые ребра наклонены к основанию под углом 60 0 . Найдите радиус описанной около пирамиды сферы.
С. Проверка составленного конспекта и анализ решения задачи.
5. Подведение итогов урока проверкой знания и понимания изученной темы (фронтальный опрос). Оценка ответов учащихся.
А. Учащиеся самостоятельно подводят итоги урока.
В. Отвечают на дополнительные вопросы.
Можно ли описать сферу около четырехугольной пирамиды, в основании которой лежит ромб, не являющийся квадратом?
Можно ли описать сферу около прямоугольного параллелепипеда? Если да, то где находится его центр?
Где в жизни применяется изученная на уроке теория (архитектура, сотовая телефонная связь, геостационарные спутники, система обнаружения GPS).
6. Постановка домашнего задания.
А. Составить конспект по теме «Сфера, описанная около призмы. Сфера, вписанная в призму». (Рассмотреть по учебнику задачи: №632,637,638)
В. Решить из учебника задачу № 640.
С. Из методички Б.Г. Зив «Дидактические материалы по геометрии 10 класс» решить задачи: Вариант №3 С12(1), Вариант №4 С12(1).
D. Дополнительное задание: Вариант №5 С12 (1).
7. Резервные задания.
Из методички Б.Г. Зив «Дидактические материалы по геометрии 10 класс»решить задачи: Вариант №3 С12(1), Вариант №4 С12(1).
Учебно – методический комплект
Геометрия, 10-11: Учебник для общеобразовательных учреждений. Базовый и профильный уровни/ Л.С. Атанасян, В.Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др., М.: Просвещение, 2010г.
Б.Г. Зив «Дидактические материалы по геометрии 10 класс», М.: Просвещение.
Учитель математики
ГБОУ лицей-интернат «ЦОД»
г Нижний Новгород
ГЕОМЕТРИЯ
Раздел ІІ. СТЕРЕОМЕТРИЯ
§23. КОМБИНАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЛ.
5. Многогранник, вписанный в шар.
Многогранник называют вписанным в шар, если все его вершины лежат на поверхности шара.
При этом шар называют описанной вокруг многогранника.
Основные свойства призмы, вписанной в шар, такие (рис. 511):
1) Шар можно описать вокруг прямой призмы, если ее основанием является многоугольник, вокруг которого можно описать окружность.
2) Центр шара является серединой высоты призмы, соединяющей центры окружностей, описанных вокруг многоугольников оснований призмы.
3) Основания призмы вписаны в уровне параллельные сечения шара.
Пример 1. Вокруг правильной треугольной призмы, сторона основания которой равна 5 см, описан шар. Радиус шара равен 13 см. Найти высоту призмы.
Решения. 1) Пусть вокруг правильной треугольной призмы АВСА И В 1 С 1 описан шар (рис. 511).
2)
QB
=
R ABC
- радиус круга, описанного вокруг
∆
АВС.
где
а = 5 см - сторона основания правильного треугольника
АВС.
Тогда
3) В ∆ OQB: ОВ = R = 13 см - радиус шара, OQB = 90°.
Имеем
4) Поскольку точка О - середина высоты призмы QQ 1 то QQ 1 = 2 ∙ 12 = 24 (см).
Основные свойства пирамиды, вписана в шар, следующие (рис. 512).
1) Шар можно описать вокруг пирамиды, если ее основанием является многоугольник, вокруг которого можно описать окружность. Центр шара, описанного вокруг пирамиды, лежит на перпендикуляре к плоскости основы, проведенном через центр круга, описанного вокруг основания.
2) Центр шара, описанного вокруг правильной пирамиды, лежит на прямой, содержащей высоту пирамиды.
3) Центр шара, описанного вокруг правильной пирамиды, совпадает с центром круга, описанного вокруг равнобедренного треугольника, боковой стороной которого является боковое ребро пирамиды, а высотой - высота пирамиды. Радиус шара равен радиусу этого круга.
Отметим, что центр описанного шара может принадлежать высоте пирамиды, или лежать на ее продолжении (то есть находится или внутри пирамиды, или за ее пределами). Решая задачи способом, предложенным ниже, нет необходимости рассматривать два случая. При выбранном способе развязывания место расположения центра шара (внутри или вне пирамидой) не учитывается.
Пример 2. Докажите, что радиус шара
R
, описанной вокруг правильной
пирамиды можно найти по формуле
где Н
- высота пирамиды,
r
- радиус круга, описанного вокруг
основы пирамиды.
Решения. 1) Пусть точка О - центр шара, описанного вокруг правильно: пирамиды с высотой Q К (рис. 512). По условию Q К = Я, КА = r - радиус круга описанного вокруг основы.
2) Продолжим Q к до второго пересечения с пулей в точке Q 1 . Тогда QQ 1 = 2 R - диаметр круга, а потому Q А Q 1 = 90° и QQ 1 - гипотенуза прямоугольного треугольника Q А Q 1 .
4) По свойству катета прямоугольного треугольника в ∆ Q А Q 1 получим А Q 2 = QQ 1 ∙ Q К, т.е. А Q 2 = 2 R ∙ Н .
5) Итак, А Q 2 = Н 2 + г 2 и А Q 2 = 2 R Н. Отсюда Н 2 + r 2 = 2 R Н; R = (r 2 + H 2 )/2 H , что и требовалось доказать.
Цель работы состоит в том, чтобы узнать весь теоретический материал по теме «Вписанные и описанные многогранники» и научиться применять его на практике.
Многогранники, вписанные в шар Выпуклый многогранник называется вписанным, если все его вершины лежат на некоторой сфере. Эта сфера называется описанной для данного многогранника. Центр этой сферы является точкой, равноудаленной от вершин многогранника. Она является точкой пересечения плоскостей, каждая из которых проходит через середину ребра многогранника перпендикулярно ему.
Пирамида, вписанная в шар Теорема: Около пирамиды можно описать сферу тогда и только тогда, когда около основания пирамиды можно описать окружность.
Формула для нахождения радиуса описанной сферы Пусть SABC - пирамида с равными боковыми ребрами, h - ее высота, R радиус окружности, описанной около основания. Найдем радиус описанной сферы. Заметим подобие прямоугольных треугольников SKO 1 и SAO. Тогда SO 1/SA = KS/SO; R 1 = KS · SA/SO Но KS = SA/2. Тогда R 1 = SA 2/(2 SO); R 1 = (h 2 +R 2)/(2 h); R 1 = b 2/(2 h), где b - боковое ребро.
Призма, вписанная в шар Теорема: Около призмы можно описать шар только в том случае, если призма является прямой и около ее основания можно описать окружность.
Параллелепипед, вписанный в шар Теорема: Сфера может быть описана около параллелепипеда тогда и только тогда, когда параллелепипед прямоугольный, так как в данном случае он является прямым и около его основания - параллелограмма может быть описана окружность (т. к. основание - прямоугольник).
Конус и цилиндр, вписанные в шар Теорема: Около всякого конуса можно описать сферу. Теорема: Около любого цилиндра можно описать сферу.
Задача 1 Найти радиус шара, описанного правильного тетраэдра с ребром а. около Решение: Предварительно построим на изображении правильного тетраэдра SABC изображение центра описанного шара. Проведем апофемы SD и AD (SD = AD). В равнобедренном треугольнике ASD каждая точка медианы DN равноудалена от концов отрезка AS. Поэтому точка O 1 есть пересечение высоты SO и отрезка DN. Используя формулу из R 1 = b 2/(2 h), получим: SO 1 = SA 2/(2 SO); SO = SO 1 = a 2/(2 a =a =)=a /4. Ответ: SO 1 = a /4.
Задача 2 В правильной четырехугольной пирамиде сторона основания равна а, а плоский угол при вершине равен α. Найти радиус описанного шара. Решение: По формуле R 1=b 2/(2 h) для нахождения радиуса описанного шара найдем SC и SO. SC = a/(2 sin(α/2)); SO 2). (a/(2 sin(α/2))2 – (a /2)2 = =). = a 2/(4 sin 2(α/2)) – 2 a 2/4 = = a 2/(4 sin 2(α/2)) · (1 – 2 sin 2(α/2)) = = a 2/(4 sin 2(α/2)) · cosα R 1 = a 2/(4 sin 2(α/2)) · 1/(2 a Ответ: R 1 = a/(4 sin(α/2) · /(2 sin(α/2))) = a/(4 sin(α/2) ·
Многогранники, описанные около шара Выпуклый многогранник называется описанным, если все его грани касаются некоторой сферы. Эта сфера называется вписанной для данного многогранника. Центром вписанной сферы является точка, равноудаленная от всех граней многогранника.
Положение центра вписанной сферы Понятие биссекторной плоскости двугранного угла. Биссекторной называется плоскость, делящая двугранный угол на два равных двугранных угла. Каждая точка этой плоскости равноудалена от граней двугранного угла. В общем случае центр вписанной в многогранник сферы является точкой пересечения биссекторных плоскостей всех двугранных углов многогранника. Он всегда лежит внутри многогранника.
Пирамида, описанная около шара Шар, называется вписанным в (произвольную) пирамиду, если он касается всех граней пирамиды (как боковых, так и основания). Теорема: Если боковые грани одинаково наклонены к основанию, то в такую пирамиду можно вписать шар. Так как двугранные углы при основании равны, то их половинки тоже равны биссектрисы пересекаются в одной точке на высоте пирамиды. Эта точка принадлежит всем биссекторным плоскостям при основании пирамиды и равноудалена от всех граней пирамиды – центр вписанного шара.
Формула для нахождения радиуса вписанной сферы Пусть SABC - пирамида с равными боковыми ребрами, h - ее высота, r радиус вписанной окружности. Найдем радиус описанной сферы. Пусть SO = h, OH = r, O 1 O = r 1. Тогда по свойству биссектрисы внутреннего угла треугольника O 1 O/OH = O 1 S/SH; r 1/r = (h – r 1)/ ; r 1 · = rh – rr 1; r 1 · (+ r) = rh; r 1 = rh/(+ r). Ответ: r 1 = rh/(+ r).
Призма, описанная около шара Теорема: Сферу можно вписать в призму тогда и только тогда, когда призма прямая и в основание можно вписать окружность, диаметр которой равен высоте призмы.
Параллелепипед и куб, описанные около шара Теорема: В параллелепипед можно вписать сферу тогда и только тогда, когда параллелепипед прямой и его основание ромб, причем высота этого ромба есть диаметр вписанной сферы, который, в свою очередь, равен высоте параллелепипеда. (Из всех параллелограммов только в ромб можно вписать окружность) Теорема: В куб всегда можно вписать сферу. Центр этой сферы точка пересечения диагоналей куба, а радиус равен половине длины ребра куба.
Цилиндр и конус, описанные около шара Теорема: Сферу можно вписать лишь в такой цилиндр, высота которого равна диаметру основания. Теорема: Во всякий конус можно вписать сферу.
Комбинации фигур Вписанная и описанная призмы Призма, вписанная в цилиндр – призма, у которой плоскостями оснований являются плоскости оснований цилиндра, а боковыми ребрами – образующие цилиндра. Касательная плоскость к цилиндру – плоскость, проходящая через образующую цилиндра и перпендикулярная плоскости осевого сечения, содержащей эту образующую. Призма, описанная около цилиндра – призма, у которой плоскостями оснований являются плоскости оснований цилиндра, а боковые грани касаются цилиндра.
Вписанная и описанная пирамиды Пирамида, вписанная в конус – пирамида, основание которой есть многоугольник, вписанный в окружность основания конуса, а вершиной является вершина конуса. Боковые ребра пирамиды, вписанной в конус – образующие конуса. Касательная плоскость к конусу – плоскость, проходящая через образующую и перпендикулярная плоскости осевого сечения, содержащей эту образующую. Пирамида, описанная около конуса – пирамида, у которой основанием служит многоугольник, описанный около основания конуса, а вершина совпадает с вершиной конуса. Плоскости боковых граней описанной пирамиды – касательные плоскости конуса.
Другие виды конфигураций Цилиндр вписан в пирамиду, если окружность одного его основания касается всех боковых граней пирамиды, а другое его основание лежит на основании пирамиды. Конус вписан в призму, если его вершина лежит на верхнем основании призмы, а его основание – круг, вписанный в многоугольник – нижнее основание призмы. Призма вписана в конус, если все вершины верхнего основания призмы лежат на боковой поверхности конуса, а нижнее основание призмы лежит на основании конуса.
Задача 1 В правильной четырехугольной пирамиде сторона основания равна а, а плоский угол при вершине равен α. Найдите радиус вписанного в пирамиду шара. Решение: Выразим стороны ∆SOK через а и α. OK = a/2. SK = KC · ctg(α/2); SK = (a · ctg(α/2))/2. SO = = (a/2) Использую формулу r 1 = rh/(+ r), найдем радиус вписанного шара: r 1 = OK · SO/(SK + OK); r 1 = (a/2) · (a/2) /((a/2) · ctg(α/2) + (a/2)) = = (a/2) /(ctg(α/2) + 1) = (a/2) Ответ: r 1 = (a/2) =
Вывод Тема «Многогранники» изучается учениками в 10 и 11 классах, но в учебной программе очень мало материала на тему «Вписанные и описанные многогранники» , хотя она вызывает очень большой интерес у учащихся, так как изучение свойств многогранников способствует развитию абстрактного и логического мышления, что впоследствии пригодится нам в учебе, работе, жизни. Работая над данным рефератом, мы изучили весь теоретический материал на тему «Вписанные и описанные многогранники» , рассмотрели возможные комбинации фигур и научились применять весь изученный материал на практике. Задачи на комбинацию тел – наиболее трудный вопрос курса стереометрии 11 класса. Но теперь мы с уверенностью можем сказать, что у нас не возникнет проблем при решении подобных задач, так как в ходе нашей исследовательской работы мы установили и доказали свойства вписанных и описанных многогранников. Очень часто у учащихся возникают трудности при построении чертежа к задаче на данную тему. Но, узнав, что для решения задач на комбинацию шара с многогранником изображение шара бывает излишним и достаточно указать его центр и радиус, мы можем быть уверены, что данных трудностей у нас не возникнет. Благодаря данному реферату мы смогли разобраться в этой трудной, но очень увлекательной теме. Мы надеемся, что теперь у нас не возникнет трудностей применении изученного материала на практике.
