Яков Перельман - Живой учебник геометрии

• Название: Живой учебник геометрии
• Автор: Яков Перельман
• Жанр: Математика

Предлагаемое классическое пособие Я.И.Перельмана призвано пробудить у читателя интерес к геометрии или, говоря словами автора, «внушить охоту и воспитать вкус к ее изучению». Наука выводится «из стен школьной комнаты на вольный воздух, в лес, поле, к реке, на дорогу, чтобы под открытым небом отдаться непринужденным геометрическим занятиям без учебника и таблиц…»

---

б о к о в а я п о в е р х н о с т ь п р а в и л ь н о й п и р а м и д ы р а в н а п о л у п р о и з в е д е н и ю п е р и м е т р а о с н о в а н и я н а а п о ф е м у. Правило вычисления объема пирамиды выводится в подробных учебниках математики. Мы приведем его здесь без доказательства, так как доказательство это чересчур сложно:

о б ъ е м п и р а м и д ы р а в е н о д н о й т р е т и п р о и з в е д е н и я е е о с н о в а н и я н а в ыс о т у.

Обозначив площадь основания пирамиды через S, а высоту через A, получим такую формулу объема и пирамиды:

V= 1/3 Sh.

Повторительные вопросы

Что называется пирамидой? – Что называется основанием и что – вершиной? – Что называется высотою пирамиды? – Какая пирамида называется пятиугольной, десятиугольной, 12-угольной? – Какая пирамида называется правильной? – Что называется апофемой правильной пирамиды? – Припомните, что называется апофемой правильного многоугольника. – Как вычисляются боковая поверхность и объем правильной пирамиды? – Как выражаются эти правила формулами? – Как выражаются эти правила формулами?

Применения

117. Величайшая из пирамид Египта (пирамида Хеопса) достигала в высоту 146 метров; ее квадратное основание имело 233 метра в ширину. Предполагая, что она сплошь сложена из камней, вычислите, какой высоты каменную стену, толщиною в полметра и длиною от Ленинграда до Москвы, можно было бы соорудить из ее материала (расстояние – 640 километров).

Р е ш е н и е. Объем пирамиды равен

1/3 ?2332?146 куб. м.

Обозначив искомую высоту стены через x, имеем уравнение

6 400 000 ??? х = 1/32332-146, откуда х = 8,5 м.

118. Стог соломы имеет форму прямоугольного параллелепипеда с пирамидальной верхушкой. Размеры основания стога 6 Ч 6 м; высота до основания пирамиды – 4 м до верши-1 ны пирамиды – 5 м. Сколько килограммов соломы в этом стоге? Куб. метр соломы весит 100 кг.

Р е ш е н и е. Объем призматической части стога 6 ? 6 ? 4 = 144 куб. м. Объем пирамидальной части 1/3 ? 6 ? 6 = 12 куб. м. Общий объем 144 + 12 = 156 куб. м. В стоге 15 600 кг соломы.

119. Вычислите объем и боковую поверхность правильной пятигранной пирамиды, сторона основания которой 45 см, а высота – 76 см.

Р е ш е н и е. Начнем с вычисления площади основания пирамиды, при чем воспользуемся тригонометрическими соотношениями. Площадь правильного пятиугольника со стороною 45 см равна 5 ? 45 ? ? l,

где l – апофема. Так как центральный угол, опирающийся на сторону правильного вписанного пятиугольника, = 360°/5 = 72°, то апофема l = 22, cotg 36° = 16 см. Следовательно, площадь основания пирамиды 5 45 8 = 1800 кв. см, а искомый объем = 1/31800 ? 76 = 45 600 куб. см.

Для вычисления боковой поверхности необходимо определить длину апофемы пирамиды. Из чертежа (сделайте его) видно, что апофема есть гипотенуза прямоугольного треугольника, катеты которого – высота пирамиды и апофема ее

основания. Значит, апофема пирамиды

Отсюда боковая поверхность пирамиды 6 ? 145 ? ? ?78 = 10 000 кв. см.

§ 89. Конус. Его боковая поверхность и объем

Вообразим, что прямоугольный треугольник ABC (черт. 239) вращается вокруг катета АВ, как дверь на петлях; вращаясь, он словно вырежет из пространства тело, называемое конусом. Круг, описанный катетом ВС, назы вается о с н о в а н и е м конуса, отрезок AS в ы с о т о ю конуса, а АС – его образующей.

Чтобы найти правило для вычисления б о к о в о й п о в е р х н о с т и конуса, представим себе ее развернутой на плоскости (черт. 240). Получится сектор, радиус которого равен «образующей» конуса, а длина дуги – длине окружности основания конуса. Площадь этого сектора равна боковой поверхности конуса. Мы знаем, что площадь сектора (§ 63) равна длине его дуги, умноженной на половину радиуса. Следовательно,

б о к о в а я п о в е р х н о с т ь к о н у с а р а в н а п о л о в и н е п р о и з в е д е н и я д л и н ы е г о о к р у ж н о с т и н а о б р а з у ю щ у ю. Обозначив радиус основания конуса через R, а образующую через l, получаем для боковой поверхности Sконуса формулу:

S= ? ? 2?R ? l= ?Rl.

Правило вычисления объема конуса можно установить, рассматривая конус, как пирамиду с весьма большим числом боковых граней. Тогда можно применить к конусу правило вычисления объема пирамиды, заменив основание пирамиды основанием конуса, а ее высоту – высотой конуса. Для объема W конуса получим формулу

V = 1/3 ?R2h,

где R – радиус основания конуса.

Повторительные вопросы

Что называется конусом? – Что называется его основанием, высотою, образующей? – Как вычисляются боковая поверхность и объем конуса? – Как выражаются эти правила формулами?

Применения

120. Вычислить полную поверхность и объем конуса, диаметр основания которого 92 см, а образующая – 85 см. Р е ш е н и е. Полная поверхность этого конуса

? ? 46 ? 85 + ? ? 462= 19 000 кв. см.

Для определения объема конуса вычисляем его высоту. Она равна

Объем конуса

1/3 ? ? ? 462 ? 71 = 160 000 куб. см.

121. Куча песку имеет форму конуса, окружность основания которого 14 м, а высота – 2 м. Сколько возов песку в этой куче? На воз идет 0,3 куб. м песку.

16 Р е ш е н и е. Радиус основания конической кучи =16/2? = 2,6 м. Площадь основания 5,1 кв. м, и, следовательно, объем кучи = 1/3 ? 5,1 ? 2 = 3,4 куб. м. В куче 11 с лишним возов.

122. Из цилиндра с диаметром основания 23 см и высотою 19 см надо выточить конус вчетверо меньшего объема с диаметром основания 20 см. Вычислить высоту конуса и угол при вершине.

Р е ш е н и е. Объем цилиндра = 1/4 ? ? ? 232? 18 = 7500 куб. см. Значит, объем конуса = 1900 куб: см. Его высота x определяется из уравнения 1/3 ? ? ? 102? x = 1900, откуда x = 18 см. Высота конуса должна равняться высоте цилиндра.

Тангенс половины угла при вершине равен =10/18 = 0,56, откуда искомый угол = 58°.

§ 90. Шар. Его объем и поверхность

Шаром называется тело, которое можно представить себе образовавшимся от вращения полукруга около его диаметра (черт. 241). Все точки поверхности шара одинаково удалены от одной точки, называемой ц е н т р о м шара. Прямая, соединяющая центр шара с какой-нибудь точкой его поверхности, называется радиусом шара. Всякая прямая, соединяющая две точки его поверхности и проходящая через центр, называется д и а м е т р о м шара. Чтобы установить правило вычисления объема шара вообразим, что около полушара (черт. 242) описан цилиндр ABCD. Кроме того, вообразим себе конус, вершина которого в центре шара, а основание – совпадает с верхним основанием цилиндра.

Проведем теперь какую-нибудь плоскость, пересекающую все три тела параллельно основаниям цилиндра; эта плоскость MN(черт. 243) рассечет каждое из трех тел по кругу. Радиус круга, по которому рассечется цилиндр, есть PZ, полушар – PS, а конус – PK. Проведя радиус OSшара, имеем по теореме Пифагора [OS]2= [OP]2+ [PS]2.

Обозначим радиус основания цилиндра через R(он равен радиусу шара); радиус сечения полушара PSчерез h, радиус сечения конуса – через k. Тогда OS= OR= R; OP= PK= k(потому что противолежащие углы = 45°); PS= h. Написанное выше представим в виде

R2= k2+ h2.

Умножив все члены равенства на, имеем

R2= k2+ h2.

Равенство это означает, что площадь сечения нашего цилиндра [R2] равна площади сечения конуса [k2], сложенной с площадью сечения полушара [h2], лежащих в той же плоскости. Это справедливо для любой плоскости, пересекающей наши три тела параллельно основаниям цилиндра.

Представим себе теперь, что мы провели чрезвычайно много таких плоскостей в незначительном расстоянии Н друг от друга. Назовем эти плоскости номерами: № 1, № 2, № 3 и т. д. Они разрежут наши три тела на множество весьма тонких слоев, которые можно принять за цилиндры с высотою H. Для плоскости № 1, № 2, № 3 и т. д. мы будем иметь следующие объемы лежащих на них слоев:

№ 1. . . . . ?R2H = ?k12H + ?h12H

№ 2. . . . . ?R2H = ?k22H + ?h22H

№ 3. . . . . ?R2H = ?k32H + ?h32H