Matematyka Krok po Kroku← Stereometria
Stereometria · moduł 4

Walec, stożek i kula

Poznaj bryły obrotowe, ich przekroje osiowe oraz wzory na pola powierzchni i objętości.

walecstożekkulaprzekroje osiowe

Walec

Walec prosty można otrzymać przez obrót prostokąta wokół jednego z jego boków. Ma dwie kołowe podstawy o promieniu \(r\) i wysokość \(H\).

  • Pole jednej podstawy wynosi \(\pi r^2\).
  • Po rozwinięciu powierzchnia boczna jest prostokątem o bokach \(2\pi r\) i \(H\).
  • Przekrój osiowy jest prostokątem o wymiarach \(2r\times H\).
  • Gdy przekrój osiowy jest kwadratem, zachodzi \(H=2r\).
rH
Wysokość to odległość między płaszczyznami podstaw.
Objętość\(V=\pi r^2H\)
Pole boczne\(P_b=2\pi rH\)
Pole całkowite\(P_c=2\pi r^2+2\pi rH\)

Stożek

Stożek prosty powstaje przez obrót trójkąta prostokątnego wokół jednej przyprostokątnej. Promień \(r\), wysokość \(H\) i tworząca \(l\) tworzą trójkąt prostokątny.

Hrl
W przekroju osiowym otrzymujemy trójkąt równoramienny. Jego połowa jest trójkątem prostokątnym.
Tworząca\(l=\sqrt{r^2+H^2}\)
Objętość\(V=\frac13\pi r^2H\)
Pole całkowite\(P_c=\pi r^2+\pi rl\)

Kula i sfera

Kula jest bryłą, a sfera jej powierzchnią. Każdy punkt sfery leży w odległości \(r\) od środka. Przekrój przechodzący przez środek jest kołem wielkim.

Pole sfery\(P_s=4\pi r^2\)
Objętość kuli\(V=\frac43\pi r^3\)
Średnica\(d=2r\)
Skalowanie: po dwukrotnym zwiększeniu promienia pole sfery rośnie \(2^2=4\) razy, a objętość kuli \(2^3=8\) razy.

Porównanie brył obrotowych

BryłaPrzekrój osiowyObjętośćNajczęstsza pułapka
Walecprostokąt \(2r\times H\)\(\pi r^2H\)pominięcie jednej podstawy
Stożektrójkąt równoramienny\(\frac13\pi r^2H\)mylenie tworzącej z wysokością
Kulakoło\(\frac43\pi r^3\)podstawienie średnicy zamiast promienia

Przykłady krok po kroku

Najpierw odczytujemy promień i wysokość. Jeżeli zadanie dotyczy stożka, przed liczeniem pola sprawdzamy także, czy potrzebna jest tworząca.

1

Stożek z trójkątem 6–8–10

stożek

Treść zadania. Stożek ma promień podstawy \(r=6\ \mathrm{cm}\) i wysokość \(H=8\ \mathrm{cm}\). Oblicz długość tworzącej, objętość oraz pole powierzchni całkowitej.

Krok 1. Obliczamy tworzącą z twierdzenia Pitagorasa:

\[ l^2=r^2+H^2=6^2+8^2=36+64=100 \] \[ l=\sqrt{100}=10\ \mathrm{cm} \]
Dlaczego powstaje trójkąt prostokątny?

Wysokość stożka \(H\), promień podstawy \(r\) i tworząca \(l\) tworzą połowę przekroju osiowego stożka.

Krok 2. Obliczamy objętość stożka:

\[ V=\frac{1}{3}\pi r^2H =\frac{1}{3}\pi\cdot6^2\cdot8 =96\pi\ \mathrm{cm}^3 \]

Krok 3. Obliczamy pole podstawy:

\[ P_p=\pi r^2=\pi\cdot6^2=36\pi\ \mathrm{cm}^2 \]

Krok 4. Obliczamy pole powierzchni bocznej:

\[ P_b=\pi rl=\pi\cdot6\cdot10=60\pi\ \mathrm{cm}^2 \]

Krok 5. Dodajemy pole podstawy i pole boczne:

\[ P_c=P_p+P_b=36\pi+60\pi=96\pi\ \mathrm{cm}^2 \]

Wniosek:

\[ l=10\ \mathrm{cm},\qquad V=96\pi\ \mathrm{cm}^3,\qquad P_c=96\pi\ \mathrm{cm}^2 \] Tworząca ma długość \(10\ \mathrm{cm}\), objętość wynosi \(96\pi\ \mathrm{cm}^3\), a pole całkowite \(96\pi\ \mathrm{cm}^2\).
2

Kwadratowy przekrój osiowy walca

przekrój walca

Treść zadania. Przekrój osiowy walca jest kwadratem o boku \(8\ \mathrm{cm}\). Oblicz objętość walca.

Co pokazuje przekrój osiowy?

Przekrój osiowy walca jest prostokątem o bokach \(H\) i \(2r\). Skoro tutaj jest kwadratem, oba te odcinki mają długość \(8\ \mathrm{cm}\).

Krok 1. Odczytujemy wysokość walca:

\[ H=8\ \mathrm{cm} \]

Krok 2. Obliczamy promień z podanej średnicy:

\[ 2r=8\ \mathrm{cm},\qquad r=4\ \mathrm{cm} \]

Krok 3. Podstawiamy dane do wzoru na objętość:

\[ V=\pi r^2H =\pi\cdot4^2\cdot8 =128\pi\ \mathrm{cm}^3 \]

Wniosek:

\[ V=128\pi\ \mathrm{cm}^3 \] Objętość walca wynosi \(128\pi\ \mathrm{cm}^3\).

Ćwiczenia rozwiązane krok po kroku

Poniższe zadania pokazują trzy różne schematy: pełne obliczenia dla walca, wyznaczanie tworzącej stożka oraz obliczenia dla kuli z podanej średnicy.

1

Objętość i pole całkowite walca

walec

Treść zadania. Walec ma promień \(3\ \mathrm{cm}\) i wysokość \(4\ \mathrm{cm}\). Oblicz objętość i pole powierzchni całkowitej.

Krok 1. Obliczamy objętość:

\[ V=\pi r^2H =\pi\cdot3^2\cdot4 =36\pi\ \mathrm{cm}^3 \]

Krok 2. Obliczamy pola dwóch kołowych podstaw:

\[ 2P_p=2\pi r^2=2\pi\cdot3^2=18\pi\ \mathrm{cm}^2 \]

Krok 3. Obliczamy pole powierzchni bocznej:

\[ P_b=2\pi rH=2\pi\cdot3\cdot4=24\pi\ \mathrm{cm}^2 \]
Walec ma dwie podstawy

W polu całkowitym dodajemy oba koła oraz prostokątną powierzchnię boczną.

Krok 4. Dodajemy wszystkie części powierzchni:

\[ P_c=18\pi+24\pi=42\pi\ \mathrm{cm}^2 \]

Wniosek:

\[ V=36\pi\ \mathrm{cm}^3,\qquad P_c=42\pi\ \mathrm{cm}^2 \] Objętość wynosi \(36\pi\ \mathrm{cm}^3\), a pole całkowite \(42\pi\ \mathrm{cm}^2\).
2

Obliczanie tworzącej stożka

stożek

Treść zadania. Stożek ma promień podstawy \(5\ \mathrm{cm}\) i wysokość \(12\ \mathrm{cm}\). Oblicz długość tworzącej.

Krok 1. Zapisujemy zależność z twierdzenia Pitagorasa:

\[ l^2=r^2+H^2 \]

Krok 2. Podstawiamy promień i wysokość:

\[ l^2=5^2+12^2=25+144=169 \]

Krok 3. Obliczamy długość tworzącej:

\[ l=\sqrt{169}=13\ \mathrm{cm} \]

Wniosek:

\[ l=13\ \mathrm{cm} \] Tworząca stożka ma długość \(13\ \mathrm{cm}\).
3

Pole sfery i objętość kuli

kula

Treść zadania. Kula ma średnicę \(6\ \mathrm{cm}\). Oblicz pole jej powierzchni oraz objętość.

Krok 1. Zamieniamy średnicę na promień:

\[ r=\frac{d}{2}=\frac{6}{2}=3\ \mathrm{cm} \]
Do wzorów podstawiamy promień

Podanie średnicy zamiast promienia jest częstą pułapką. Przed użyciem wzorów zawsze dzielimy średnicę przez \(2\).

Krok 2. Obliczamy pole sfery:

\[ P_s=4\pi r^2 =4\pi\cdot3^2 =36\pi\ \mathrm{cm}^2 \]

Krok 3. Obliczamy objętość kuli:

\[ V=\frac{4}{3}\pi r^3 =\frac{4}{3}\pi\cdot3^3 =36\pi\ \mathrm{cm}^3 \]

Wniosek:

\[ P_s=36\pi\ \mathrm{cm}^2,\qquad V=36\pi\ \mathrm{cm}^3 \] Pole powierzchni kuli wynosi \(36\pi\ \mathrm{cm}^2\), a objętość \(36\pi\ \mathrm{cm}^3\).