Конус имеет сечения в виде. Сечение поверхности конуса плоскостью общего положения

Конус. Сечение конуса плоскостями

Определение. Тело, полученное при вращении прямоугольного треугольника вокруг оси, содержащей его катет, называется конусом .

Определение. Множество точек конуса, полученное при вращении ломаной, состоящей из гипотенузы и катета, образует поверхность конуса .

Определение. Множество точек конуса, полученное при вращении катета, образует фигуру, которая называется основанием конуса .

Понятно, что основание конуса есть круг с центром на оси вращения, радиус которого равен длине катета вращаемого треугольника, не совпадающего с осью вращения.

Определение. Множество точек конуса, полученное при вращении гипотенузы треугольника, образует фигуру, которая называется боковой поверхностью конуса .

Гипотенуза треугольника называется образующей конуса. Длина катета, лежащего на оси вращения, называется высотой конуса.

Боковую поверхность конуса, как и боковую поверхность цилиндра, можно развернуть на плоскость, разрезав ее по одной из образующих. Разверткой боковой поверхности конуса является круговой сектор , радиус которого равен образующей конуса, а длина дуги сектора - длине окружности основания конуса.

За площадь боковой поверхности конуса принимается площадь ее развертки. Выразим площадь боковой поверхности конуса через его образующую l и радиус основания r . Площадь кругового сектора равна , где α - градусная мера дуги ABA ´, поэтому

Выразим α через l и r . Так как длина дуги ABA ´ равна 2πr , то , откуда . Подставив это выражение в формулу для боковой поверхности, получим

Таким образом, площадь боковой поверхности конуса равна произведению половины длины окружности основания на образующую.

Площадь полной поверхности конуса называется сумма площадей боковой поверхности и основания. Для вычисления площади полной поверхности конуса получается формула

Рассмотрим сечение конуса различными плоскостями .

1. Если секущая плоскость проходит через ось конуса, то сечение представляет собой равнобедренный треугольник , основание которого - диаметр основания конуса, а боковые стороны - образующие конуса. Это сечение называется осевым .

При решении задач школьного курса геометрии рассматривают два вида сечений конуса плоскостью:

· сечения, перпендикулярные оси конуса – круги ;

· сечения, проходящие через вершину конуса – равнобедренные треугольники ;

Сечение конуса плоскостью, проходящей через его ось, называется осевым сечением .

Виды сечений конической поверхности плоскостью:

·
сечение, перпендикулярное оси конической поверхности – окружность ;

· сечение, параллельное одной из образующих – парабола т.е. ________________________________

· сечение, параллельное двум образующим – гипербола, т.е. множество точек плоскости, модуль разности расстояний от которых до двух заданных точек плоскости есть величина постоянная.

· сечение, не перпендикулярное и не параллельное оси конической поверхности – эллипс .

· сечение, проходящее через две образующие – пара пересекающихся прямых ;

Докажем два утверждения.

Утверждение 2. Сечение конической поверхности, параллельное двум образующим конуса – гипербола.

Пусть плоскость α, параллельная двум образующим конуса, пересекает поверхность конуса по некоторой линии l . Докажем, что эта линия – гипербола.

Рассмотрим два равных шара, которые касаются боковой поверхности конуса и плоскости сечения. Пусть точки F 1 и F 2 – точки касания с плоскостью сечения. Через произвольную точку M линии l проведём образующую t . Пусть длина отрезка AA 1 этой образующей, заключённого между диаметральными плоскостями шаров, перпендикулярными образующим конуса, равна 2a . Тогда по свойству касательных, MF 1 =MA 1 , MF 2 = MA 2 , следовательно, |MF 1 –MF 2 |=|MA 1 –MA 2 =2a |, т.е. |MF 1 –MF 2 | = const , значит, линия l – эллипс.Š

Утверждение 3. Сечение конической поверхности, не перпендикулярное и не параллельное оси конической поверхности – эллипс .

Сделать чертёж и доказать самостоятельно.

2.4. Усечённый конус

Усечённым конусом называется часть конуса, расположенная между его основанием и секущей плоскостью, перпендикулярной оси конуса. Основание данного конуса и круг, полученный в сечении, называются основаниями усечённого конуса. Высотой усечённого конуса называется отрезок, соединяющий центры его оснований; боковой поверхностью – часть конической поверхности, расположенная между основаниями усечённого конуса. Отрезки образующих конической поверхности, расположенные между основаниями усечённого конуса называются его образующими .

Усечённый конус может быть получен путём вращения прямоугольной трапеции вокруг её боковой стороны, перпендикулярной к основаниям.

Теорема (о площади боковой поверхности усечённого конуса ). Площадь боковой поверхности усечённого конуса равна произведению полусуммы длин окружностей оснований на длину образующей: , где R и r – радиусы оснований, l – длина образующей.

Теорема (об объёме усечённого конуса ). Объём усечённого конуса, высота которого равна H , а радиусы оснований равны R и r , вычисляется по формуле
.

Сфера и шар

Теорема (о взаимном расположении сферы и плоскости ). Пусть d – расстояние от центра O сферы радиуса r до плоскости α. Тогда:

1) если d < r , то сечение сферы плоскостью α есть окружность с центром O 1 радиуса , где O 1 – проекция точки O на плоскость α;

2) если d = r , то сфера и плоскость имеют только одну общую точку;

3) если d > r , то сфера и плоскость не имеют общих точек.

1) Пусть d < r , плоскость a пересекает сферу W(O , r ) по какой-то лини L. Пусть точка M – произвольная точка линии L , тогда в треугольнике OO 1 M :

ÐOO 1 M =90° (OO 1 ^MO 1 , т.к. OO 1 ^a и MO 1 Ìa), катет MO 1 = . Значит, все точки линии L равноудалены от точки O 1 , следовательно, сечение сферы плоскостью a есть окружность с центром в точке O 1 и радиусом .

2) Пусть d = r . Расстояние от точки O до плоскости a меньше расстояния от точки O O 1 , значит, точка O 1 – единственная точка плоскости a, принадлежащая сфере.

3) Пусть d > r . Расстояние от точки O до любой точки плоскости a, отличной от точки O 1 , больше d . А d > r , значит, сфера и плоскость не имеют общих точек.Š

Следствие. Сечение шара плоскостью есть круг.

Плоскость, проходящая через центр сферы (шара), называется диаметральной плоскостью , а сечение этой плоскостью – большой окружностью (большим кругом ). Концы диаметра, перпендикулярного диаметральной плоскости, называются полюсами сферы .

Касательной плоскостью к сфере (шару) называется плоскость, имеющая со сферой (шаром) только одну общую точку. Она называется точкой касания . Прямая, лежащая в касательной плоскости сферы (шара) и проходящая через точку касания, называется касательной прямой к сфере (шару).

Теорема (признак касательной плоскости)

Теорема (о свойстве касательной плоскости)

Сферическим (шаровым) сегментом называется часть сферы (шара), отсекаемая плоскостью. Окружность (круг), по которой плоскость пересекает сферу (шар), называется основанием сферических (шаровых) сегментов , на которые плоскость разбивает сферу. Высотой сферического (шарового) сегмента называется длина отрезка диаметра, перпендикулярного основанию сегмента, расположенного между этим основанием и сферой. (На рисунке AF и BF – высоты соответствующих сферических (шаровых) сегментов).

Сферическим поясом (шаровым слоем ) называется часть сферы (шара), расположенная между двумя параллельными секущими плоскостями. Основаниями сферического пояса (шарового слоя) называются окружности (круги), которые получаются в сечении сферы (шара) этими плоскостями. Высотой сферического пояса (шарового слоя) называется расстояние между плоскостями. (На рисунке FE – высота сферического пояса (шарового слоя).)

Шаровым сектором называется геометрическое тело, полученное вращением кругового сектора с углом, меньшим 90°, вокруг прямой, содержащей один из ограничивающих круговой сектор радиусов. Шаровой сектор состоит из шарового сегмента и конуса. Высотой шарового сектора называется высота соответствующего ему шарового сегмента. (На рисунке AB – высота шарового сектора).

Площадь сферического сегмента , где R – радиус сферы, h – высота сегмента.

Площадь сферического пояса , где R – радиус сферы, h – высота пояса.

Площадь сферы , где R – радиус сферы.

Объём шарового сектора , где R – радиус шара, h – высота сектора.

Объём шарового сегмента
, где R – радиус шара, h – высота сегмента.

Объём шара , где R – радиус шара.

Цилиндр представляет собой тело, состоящее из двух кругов, не лежащих в одной плоскости и совмещаемых параллельным переносом, и всех отрезков, соединяющих соответствующие точки этих кругов (Рис.1).

Два круга, лежащих в параллельных плоскостях, называются основаниями цилиндра. Отрезки, соединяющие соответствующие точки окружностей кругов, называются образующими.

Так как основания совмещаются параллельным переносом, то они равны. И так как они лежат в параллельных плоскостях, то образующие цилиндра параллельны и равны.

Если образующие перпендикулярны основанию, то цилиндр называется прямым.

Поверхность цилиндра состоит из двух оснований и боковой поверхности. Боковая поверхность состоит из образующих.

Осью цилиндра называется прямая, проходящая через центры оснований. Радиусом цилиндра называется радиус его основания. А высотой цилиндра называется расстояние между плоскостями его оснований.

Сечение цилиндра плоскостями

Если взять сечение цилиндра плоскостью, проходящей по его оси, то получится прямоугольник. (Рис.1) Такое сечение называется осевым. Сечение цилиндра плоскостью, параллельной его оси, также представляет собой прямоугольник. Две его стороны - образующие цилиндра, а две другие стороны - параллельные хорды оснований.

Теорема. Плоскость сечения цилиндра, параллельная его плоскости основания, пересекает его боковую поверхность по окружности, равной окружности основания. (Рис.1.1)

Пусть плоскость α - секущая плоскость, параллельная основанию. Подвергнем плоскость α движению в верх вдоль оси цилиндра. Параллельным переносом совместим плоскость α с плоскостью верхнего основания цилиндра. Таким образом сечение боковой поверхности совпадет с окружностью верхнего основания. Теорема доказана.

90 ° .

2. Что представляет собой сечение цилиндра плоскостью, параллельной его образующей?

Сечение - прямоугольник.

3. На основаниях цилиндра взяты две не параллельные друг другу хорды. Может ли кратчайшее расстояние между точками этих хорд быть: а) равным высоте цилиндра; б) больше высоты цилиндра; в) меньше высоты цилиндра?

АВ и CD лежат в параллельных плоскостях.

Н - высота цилиндра.

4. Две цилиндрические детали покрываются слоем никеля одинаковой толщины. Высота первой детали в два раза больше высоты второй, но радиус ее основания в два раза меньше радиуса основания второй детали. На какую из деталей расходуется больше никеля?

Первая деталь Вторая деталь

2l , l - высота (образующая),

r/2, r - радиус основания,

Боковые поверхности равны, но площадь двух оснований второй детали больше площади двух оснований первой детали.

5. Равны ли друг другу углы между образующими конуса и: а) плоскостью основания; б) его осью?

а) да; б) да.

6. Что представляет собой сечение конуса плоскостью, проходящей через его вершину?

Равнобедренный треугольник.

7. Точки А и В принадлежат шару. Принадлежит ли этому шару любая точка отрезка АВ?

8. Могут ли все вершины прямоугольного треугольника с катетами 4 см и 2 √2 см лежать на сфере радиуса √5 см?

Вычислим гипотенузу прямоугольного треугольника:

Гипотенуза не помещается внутри сферы, тогда, хотя бы одна вершина лежит вне сферы.

9. Могут ли две сферы с общим центром и с неравными радиусами иметь общую касательную плоскость?

Одна сфера всегда будет внутри другой, поэтому общую касательную плоскость провести невозможно.

10. Что представляет собой множество всех точек пространства, из которых данный отрезок виден под прямым углом?

Это сфера, у которой данный отрезок является диаметром.

Теорема (о сечении конуса). Если плоскость пересекает конус и параллельна плоскости его основания, то сечение конуса такой плоскостью подобно основанию конуса. Коэффициент их подобия равен отношению расстояния от вершины конуса до плоскости сечения к высоте конуса.

Напомним, что фигура F подобна фигуре F с коэффициентом , если можно так сопоставить их точки, что для любых точек X, Y фигуры F и соответствующих им точек XY фигуры F (рис. 8.5).

Пусть Р - вершина конуса К, фигура F - его основание, F - сечение конуса К плоскостью а, параллельной плоскости а основания F (рис. 8.6). Докажем, что фигуры F и F подобны. Для этого каждой точке сопоставим точку , в которой отрезок РХ пересекает плоскость а.

Проведем высоту РА конуса К и пусть А - точка, в которой высота РА пересекает плоскость а. Отрезок

РА является высотой конуса К, отсеченного плоскостью а.

Возьмем любые две точки X, Y основания F и пусть X, Y - соответствующие им точки F. Рассмотрим треугольники PXY и PXY. Они подобны, так как отрезки XY и XY параллельны (поскольку плоскость PXY пересекает параллельные плоскости а и а по параллельным прямым). Поэтому