Правильная четырехугольная пирамида
Популярное
Молодой британский дизайнер Ричард Суини (Richard Sweeney) создает удивительные скульптуры из.
Во второй половине XIX века в школах США зародился новый способ обучения – метод проектов.Согласно этому подходу истинным и ценным является только то, что.
Может ли многогранник изгибаться? Наверное, это какая-то ошибка? А может это уже и не многогранник? Оказывается, существуют изгибаемые многогранники.
У каждого из пяти тел Платона можно определить следующие математические характеристики: 1. Радиус сферы описанной вокруг многогранника; 2. Радиус сферы.
Основатели города Мирный, находящегося в Архангельской области разместили на флаге и гербе своего города многогранник – «Большой додекаэдр».
Александрийский маяк — одно из 7 чудес света, был построен в III веке до н. э. в египетском городе Александрия, чтобы корабли могли благополучно миновать рифы на пути в александрийскую.
Геометрические фигуры. Пирамида. Углы пирамиды.
Соседние двугранные углы при основании пирамиды равны.
Если соседние двугранные углы при основании пирамиды равны, значит, вершина пирамиды проецируется на биссектрису угла между соответствующими соседними ребрами основания.
Треугольная пирамида, с одной боковой гранью перпендикулярной основанию, а 2 другие наклонены к основанию под одинаковыми углами.
Когда в треугольной пирамиде 1 из боковых граней перпендикулярна основанию, а 2 оставшиеся образуют с основанием одинаковые углы, значит высота пирамиды оказывается высотой боковой грани, а ортогональная проекция вершины пирамиды — основанием биссектрисы треугольника, лежащего в основании пирамиды.
Значит SO — это высота пирамиды и она лежит в боковой грани SAC, а BO — биссектриса треугольника ABC, т.е.:
Пирамиды, в которых все двугранные углы при основании равны.
Когда все двугранные углы при ребрах основания равны, значит:
1) Вершина пирамиды проецируется в центр вписанной в основание окружности;
где 
— двугранный угол при основании пирамиды.
Зачастую эту формулу используют для определения площади боковой поверхности пирамиды:
Значит, площадь полной поверхности пирамиды равняется:
3) Площадь боковой поверхности в этом случае тоже находят по формуле:
где p — полупериметр основания, l — высота боковой грани, проведенная из вершины пирамиды.
Формулы и свойства правильной четырехугольной пирамиды. Усеченная пирамида
Что такое пирамида в общем случае?
В геометрии под ней понимают объемную фигуру, получить которую можно, если соединить все вершины плоского многоугольника с одной единственной точкой, лежащей в другой плоскости, чем этот многоугольник. Рисунок ниже показывает 4 фигуры, которые удовлетворяют данному определению.
Вам будет интересно: Литовские статуты: даты и история изданий, регламент, хронология принятия статутов
Особым типом пирамид, которые от остальных представительниц класса отличаются идеальной симметрией, являются правильные пирамиды. Чтобы фигура была правильной, должны выполняться следующие два обязательных условия:
Отметим, что второе обязательное условие можно заменить иным: перпендикуляр, проведенный к основанию из вершины пирамиды (точка пересечения боковых треугольников), должен пересекать это основание в его геометрическом центре.
Правильная четырехугольная пирамида
Теперь перейдем к теме статьи и рассмотрим, какие свойства правильной четырехугольной пирамиды характеризуют ее. Сначала покажем на рисунке, как выглядит эта фигура.
Ее основание является квадратом. Боковые стороны представляют 4 одинаковых равнобедренных треугольника (они также могут быть равносторонними при определенном соотношении длины стороны квадрата и высоты фигуры). Опущенная из вершины пирамиды высота пересечет квадрат в его центре (точка пересечения диагоналей).
Эта пирамида имеет 5 граней (квадрат и четыре треугольника), 5 вершин (четыре из них принадлежат основанию) и 8 ребер. Ось симметрии четвертого порядка, проходящая через высоту пирамиды, переводит ее в саму себя путем поворота на 90o.
Египетские пирамиды в Гизе являются правильными четырехугольными.
Далее приведем формулы, позволяющие определить все характеристики этой фигуры.
Четыре основных линейных параметра
Начнем рассмотрение математических свойств правильной четырехугольной пирамиды с формул высоты, длины стороны основания, бокового ребра и апофемы. Сразу скажем, что все эти величины связаны друг с другом, поэтому достаточно знать только две из них, чтобы однозначно вычислить оставшиеся две.
Предположим, что известна высота h пирамиды и длина a стороны квадратного основания, тогда боковое ребро b будет равно:
Теперь приведем формулу для длины ab апофемы (высота треугольника, опущенная на сторону основания):
Очевидно, что боковое ребро b всегда больше апофемы ab.
Оба выражения можно применять для определения всех четырех линейных характеристик, если известны другие два параметра, например ab и h.
Площадь и объем фигуры
Эту формулу знает каждый школьник. Площадь боковой поверхности, которая образована четырьмя одинаковыми треугольниками, можно определить через апофему ab пирамиды так:
Если ab является неизвестной, то можно ее определить по формулам из предыдущего пункта через высоту h или ребро b.
Общая площадь поверхности рассматриваемой фигуры складывается из площадей So и Sb:
S = So + Sb = a2 + 2 × a × ab = a (a + 2 × ab)
Рассчитанная площадь всех граней пирамиды показана на рисунке ниже в виде ее развертки.
Описание свойств правильной четырехугольной пирамиды не будет полным, если не рассмотреть формулу для определения ее объема. Эта величина для рассматриваемой пирамиды вычисляется следующим образом:
То есть V равен третьей части произведения высоты фигуры на площадь ее основания.
Свойства правильной усеченной четырехугольной пирамиды
Получить эту фигуру можно из исходной пирамиды. Для этого необходимо срезать верхнюю часть пирамиды плоскостью. Оставшаяся под плоскостью среза фигура будет называться пирамидой усеченной.
Боковая поверхность усеченной фигуры образована не треугольниками, а равнобедренными трапециями.
Одним из важных свойств этой пирамиды является ее объем, который рассчитывается по формуле:
V = 1/3 × h × (So1 + So2 + √(So1 × So2))
Двугранные углы пирамиды и методика их расчета
Пространственная фигура пирамида
Каждый школьник хорошо представляет, о чем идет речь, когда слышит слово «пирамида». Геометрически построить ее можно так: выбрать некоторый многоугольник, затем зафиксировать точку в пространстве и соединить ее с каждым углом многоугольника. Получившаяся объемная фигура будет пирамидой произвольного типа. Многоугольник, который ее образует, называется основанием, а точка, с которой соединены все его углы, является вершиной фигуры. Ниже на рисунке схематически показана пятиугольная пирамида.
Вам будет интересно: Популяция людей: определение, виды, свойства и примеры
Видно, что ее поверхность образована не только пятиугольником, но и пятью треугольниками. В общем случае число этих треугольников будет равно количеству сторон многоугольного основания.
Двугранные углы фигуры
Вам будет интересно: «Дурачок» или «дурачек»: как не проспорить в Интернете из-за орфографии?
Когда рассматриваются геометрические задачи на плоскости, то любой угол образован двумя пересекающимися прямыми, или отрезками. В пространстве же к этим линейным углам добавляются двугранные, образованные пересечением двух плоскостей.
Если отмеченное определение угла в пространстве применить к рассматриваемой фигуре, то можно сказать, что существует два вида двугранных углов:
Как рассчитать углы пирамиды?
Линейный угол двугранного угла является мерой последнего. Вычислить его непросто, поскольку грани пирамиды, в отличие от граней призмы, пересекаются не под прямыми углами в общем случае. Надежнее всего проводить расчет значений двугранных углов с использованием уравнений плоскости в общем виде.
В трехмерном пространстве плоскость задается следующим выражением:
Если известны координаты трех точек, принадлежащих плоскости, то, взяв векторное произведение двух векторов, построенных на этих точках, можно получить координаты n¯. Вектор n¯ называется направляющим для плоскости.
Согласно определению, двугранный угол, образованный пересечением двух плоскостей, равен линейному углу между их направляющими векторами. Предположим, что мы имеем две плоскости, нормальные векторы которых равны:
Для вычисления угла φ между ними можно воспользоваться свойством произведения скалярного, тогда соответствующая формула принимает вид:
Или в координатной форме:
φ = arccos(|A1*A2 + B1*B2 + C1*C2|/(√(A12 + B12+C12)*√(A22 + B22 + C22)))
Покажем, как использовать изложенную методику расчета двугранных углов при решении геометрических задач.
Углы правильной пирамиды четырехугольной
Предположим, что имеется правильная пирамида, в основании которой находится квадрат со стороной 10 см. Высота фигуры равна 12 см. Необходимо вычислить, чему равны двугранные углы при основании пирамиды и для ее боковых сторон.
Поскольку заданная в условии задачи фигура является правильной, то есть обладает высокой симметрией, то все углы при основании равны друг другу. Также являются одинаковыми углы, образованные боковыми гранями. Чтобы вычислить необходимые двугранные углы, найдем направляющие векторы для основания и двух боковых плоскостей. Обозначим длину стороны основания буквой a, а высоту h.
Рисунок выше показывает четырехугольную правильную пирамиду. Выпишем координаты точек A, B, C и D в соответствии с введенной системой координат:
Теперь найдем направляющие векторы для плоскостей основания ABC и двух боковых сторон ABD и BCD в соответствии с изложенной в пункте выше методикой:
AB¯ = (0; a; 0); AC¯ = (-a; a; 0); n1¯ = [AB¯*AC¯] = (0; 0; a2)
AB¯ = (0; a; 0); AD¯ = (-a/2; a/2; h); n2¯ = [AB¯*AD¯] = (a*h; 0; a2/2)
Теперь остается применить соответствующую формулу для угла φ и подставить значения стороны и высоты из условия задачи:
Угол между ABC и ABD:
(n1¯*n2¯) = a4/2; |n1¯| = a2; |n2¯| = a*√(h2 + a2/4);
φ = arccos(a4/2/(a2*a*√(h2 + a2/4))) = arccos(a/(2*√(h2 + a2/4))) = 67,38o
Угол между ABD и BDC:
(n2¯*n3¯) = a4/4; |n2¯| = a*√(h2 + a2/4) ; |n3¯| = a*√(h2 + a2/4);
φ = arccos(a4/(4*a2*(h2+a2/4)) = arccos(a2/(4*(h2+a2/4))) = 81,49o
Мы вычислили значения углов, которые требовалось найти по условию задачи. Полученные при решении задачи формулы можно использовать для определения двугранных углов четырехугольных правильных пирамид с любыми значениями a и h.
Углы треугольной правильной пирамиды
На рисунке ниже дана пирамида, основанием которой является правильный треугольник. Известно, что двугранный угол между боковыми сторонами является прямым. Необходимо вычислить площадь основания, если известно, что высота фигуры равна 15 см.
Поскольку два боковых треугольника в пирамиде являются одинаковыми, то стороны AB и CB равны и являются катетами треугольника ABC. Обозначим их длину x, тогда:
Приравнивая площади боковых треугольников и подставляя апофему в соответствующее выражение, имеем:
Площадь равностороннего треугольника рассчитывается так:
Подставляем значение высоты из условия задачи, получаем ответ: S = 584,567 см2.
Геометрические фигуры. Правильная пирамида.
В правильной пирамиде все боковые ребра имеют одинаковую величину, и каждая боковая грань является равнобедренными треугольниками одного размера.
Правильная пирамида обладает следующими свойствами:
Формулы для правильной пирамиды.
Ниже указанная формула определения объема используется лишь для правильной пирамиды:
Боковое ребро правильной пирамиды находят по формуле:
где b — боковое ребро правильной пирамиды (SA, SB, SC, SD либо SE),
n — количество сторон правильного многоугольника (основание правильной пирамиды),
h — высота правильной пирамиды (OS).
Указания к решению задач. Свойства, которые мы перечислили выше, помогают при практическом решении. Когда нужно определить углы наклона граней, их поверхность и так далее, значит общая методика сводится к разбиению всей объемной фигуры на отдельные плоские фигуры и применение их свойств для определения отдельных элементов пирамиды, так как большинство элементов оказываются общими для нескольких фигур.
Правильная треугольная пирамида.
Формулы для правильной треугольной пирамиды.
Формула для нахождения объема правильной треугольной пирамиды:
Еще одним частным случаем правильно пирамиды является тетраэдр.
