Существование вписанной сферы в призму. Многогранники, описанные около сферы многогранник называется описанным. Описанная сфера и пирамида

Тема “Разные задачи на многогранники, цилиндр, конус и шар” является одной из самых сложных в курсе геометрии 11 класса. Перед тем, как решать геометрические задачи, обычно изучают соответствующие разделы теории, на которые ссылаются при решении задач. В учебнике С.Атанасяна и др. по данной теме (стр. 138) можно найти только определения многогранника, описанного около сферы, многогранника, вписанного в сферу, сферы, вписанной в многогранник, и сферы, описанной около многогранника. В методических рекомендациях к этому учебнику (см. книгу “Изучение геометрии в 10–11-х классах” С.М.Саакяна и В.Ф.Бутузова, стр.159) сказано, какие комбинации тел рассматриваются при решении задач № 629–646, и обращается внимание на то, что “при решении той или иной задачи прежде всего нужно добиться того, чтобы учащиеся хорошо представляли взаимное расположение указанных в условии тел”. Далее приводится решение задач №638(а) и №640.

Учитывая все выше сказанное, и то, что наиболее трудными для учащихся являются задачи на комбинацию шара с другими телами, необходимо систематизировать соответствующие теоретические положения и сообщить их учащимся.

Определения.

1. Шар называется вписанным в многогранник, а многогранник описанным около шара, если поверхность шара касается всех граней многогранника.

2. Шар называется описанным около многогранника, а многогранник вписанным в шар, если поверхность шара проходит через все вершины многогранника.

3. Шар называется вписанным в цилиндр, усеченный конус (конус), а цилиндр, усеченный конус (конус) – описанным около шара, если поверхность шара касается оснований (основания) и всех образующих цилиндра, усеченного конуса (конуса).

(Из этого определения следует, что в любое осевое сечение этих тел может быть вписана окружность большого круга шара).

4. Шар называется описанным около цилиндра, усеченного конуса (конуса), если окружности оснований (окружность основания и вершина) принадлежат поверхности шара.

(Из этого определения следует, что около любого осевого сечения этих тел может быть описана окружность большего круга шара).

Общие замечания о положении центра шара.

1. Центр шара, вписанного в многогранник, лежит в точке пересечения биссекторных плоскостей всех двугранных углов многогранника. Он расположен только внутри многогранника.

2. Центр шара, описанного около многогранника, лежит в точке пересечения плоскостей, перпендикулярных ко всем ребрам многогранника и проходящих через их середины. Он может быть расположен внутри, на поверхности и вне многогранника.

Комбинация шара с призмой.

1. Шар, вписанный в прямую призму.

Теорема 1. Шар можно вписать в прямую призму в том и только в том случае, если в основание призмы можно вписать окружность, а высота призмы равна диаметру этой окружности.

Следствие 1. Центр шара, вписанного в прямую призму, лежит в середине высоты призмы, проходящей через центр окружности, вписанной в основание.

Следствие 2. Шар, в частности, можно вписать в прямые: треугольную, правильную, четырехугольную (у которой суммы противоположных сторон основания равны между собой) при условии Н = 2r, где Н – высота призмы, r – радиус круга, вписанного в основание.

2. Шар, описанный около призмы.

Теорема 2. Шар можно описать около призмы в том и только в том случае, если призма прямая и около ее основания можно описать окружность.

Следствие 1 . Центр шара, описанного около прямой призмы, лежит на середине высоты призмы, проведенной через центр круга, описанного около основания.

Следствие 2. Шар, в частности, можно описать: около прямой треугольной призмы, около правильной призмы, около прямоугольного параллелепипеда, около прямой четырехугольной призмы, у которой сумма противоположных углов основания равна 180 градусов.

Из учебника Л.С.Атанасяна на комбинацию шара с призмой можно предложить задачи № 632, 633, 634, 637(а), 639(а,б).

Комбинация шара с пирамидой.

1. Шар, описанный около пирамиды.

Теорема 3. Около пирамиды можно описать шар в том и только в том случае, если около ее основания можно описать окружность.

Следствие 1. Центр шара, описанного около пирамиды лежит в точке пересечения прямой, перпендикулярной основанию пирамиды, проходящей через центр окружности, описанной около этого основания, и плоскости, перпендикулярной любому боковому ребру, проведенной через сере дину этого ребра.

Следствие 2. Если боковые ребра пирамиды равны между собой (или равно наклонены к плоскости основания), то около такой пирамиды можно описать шар.Центр этого шара в этом случае лежит в точке пересечения высоты пирамиды (или ее продолжения) с осью симметрии бокового ребра, лежащей в плоскости бокового ребра и высоты.

Следствие 3. Шар, в частности, можно описать: около треугольной пирамиды, около правильной пирамиды, около четырехугольной пирамиды, у которой сумма противоположных углов равна 180 градусов.

2. Шар, вписанный в пирамиду.

Теорема 4. Если боковые грани пирамиды одинаково наклонены к основанию, то в такую пирамиду можно вписать шар.

Следствие 1. Центр шара, вписанного в пирамиду, у которой боковые грани одинаково наклонены к основанию, лежит в точке пересечения высоты пирамиды с биссектрисой линейного угла любого двугранного угла при основании пирамиды, стороной которого служит высота боковой грани, проведенная из вершины пирамиды.

Следствие 2. В правильную пирамиду можно вписать шар.

Из учебника Л.С.Атанасяна на комбинацию шара с пирамидой можно предложить задачи № 635, 637(б), 638, 639(в),640, 641.

Комбинация шара с усеченной пирамидой.

1. Шар, описанный около правильной усеченной пирамиды.

Теорема 5. Около любой правильной усеченной пирамиды можно описать шар. (Это условие является достаточным, но не является необходимым)

2. Шар, вписанный в правильную усеченную пирамиду.

Теорема 6. В правильную усеченную пирамиду можно вписать шар в том и только в том случае, если апофема пирамиды равна сумме апофем оснований.

На комбинацию шара с усеченной пирамидой в учебнике Л.С.Атанасяна есть всего лишь одна задача (№ 636).

Комбинация шара с круглыми телами.

Теорема 7. Около цилиндра, усеченного конуса (прямых круговых), конуса можно описать шар.

Теорема 8. В цилиндр (прямой круговой) можно вписать шар в том и только в том случае, если цилиндр равносторонний.

Теорема 9. В любой конус (прямой круговой) можно вписать шар.

Теорема 10. В усеченный конус (прямой круговой) можно вписать шар в том и только в том случае, если его образующая равна сумме радиусов оснований.

Из учебника Л.С.Атанасяна на комбинацию шара с круглыми телами можно предложить задачи № 642, 643, 644, 645, 646.

Для более успешного изучения материала данной темы необходимо включать в ход уроков устные задачи:

1. Ребро куба равно а. Найти радиусы шаров: вписанного в куб и описанного около него. (r = a/2, R = a3).

2. Можно ли описать сферу (шар) около: а) куба; б) прямоугольного параллелепипеда; в) наклонного параллелепипеда, в основании которого лежит прямоугольник; г) прямого параллелепипеда; д) наклонного параллелепипеда? (а) да; б) да; в) нет; г) нет; д) нет)

3. Справедливо ли утверждение, что около любой треугольной пирамиды можно описать сферу? (Да)

4. Можно ли описать сферу около любой четырехугольной пирамиды? (Нет, не около любой четырёхугольной пирамиды)

5. Какими свойствами должна обладать пирамида, чтобы около нее можно было описать сферу? (В её основании должен лежать многоугольник, около которого можно описать окружность)

6. В сферу вписана пирамида, боковое ребро которой перпендикулярно основанию. Как найти центр сферы? (Центр сферы – точка пересечения двух геометрических мест точек в пространстве. Первое – перпендикуляр, проведённый к плоскости основания пирамиды, через центр окружности, описанной около него. Второе – плоскость перпендикулярная данному боковому ребру и проведённая через его середину)

7. При каких условиях можно описать сферу около призмы, в основании которой – трапеция? (Во-первых, призма должна быть прямой, и, во-вторых, трапеция должна быть равнобедренной, чтобы около неё можно было описать окружность)

8. Каким условиям должна удовлетворять призма, чтобы около нее можно было описать сферу? (Призма должна быть прямой, и её основанием должен являться многоугольник, около которого можно описать окружность)

9. Около треугольной призмы описана сфера, центр которой лежит вне призмы. Какой треугольник является основанием призмы? (Тупоугольный треугольник)

10. Можно ли описать сферу около наклонной призмы? (Нет, нельзя)

11. При каком условии центр сферы, описанной около прямой треугольной призмы, будет находится на одной из боковых граней призмы? (В основании лежит прямоугольный треугольник)

12. Основание пирамиды – равнобедренная трапеция.Ортогональная проекция вершины пирамиды на плоскость основания – точка, расположенная вне трапеции. Можно ли около такой трапеции описать сферу? (Да, можно. То что ортогональная проекция вершины пирамиды расположена вне её основания, не имеет значения. Важно, что в основании пирамиды лежит равнобедренная трапеция – многоугольник, около которого можно описать окружность)

13. Около правильной пирамиды описана сфера. Как расположен ее центр относительно элементов пирамиды? (Центр сферы находится на перпендикуляре, проведенном к плоскости основания через его центр)

14. При каком условии центр сферы, описанной около прямой треугольной призмы, лежит: а) внутри призмы; б) вне призмы? (В основании призмы: а) остроугольный треугольник; б) тупоугольный треугольник)

15. Около прямоугольного параллелепипеда, ребра которого равны 1 дм, 2 дм и 2 дм, описана сфера. Вычислите радиус сферы. (1,5 дм)

16. В какой усеченный конус можно вписать сферу? (В усечённый конус, в осевое сечение которого можно вписать окружность. Осевым сечением конуса является равнобедренная трапеция, сумма её оснований должна равняться сумме её боковых сторон. Другими словами, у конуса сумма радиусов оснований должна равняться образующей)

17. В усеченный конус вписана сфера. Под каким углом образующая конуса видна из центра сферы? (90 градусов)

18. Каким свойством должна обладать прямая призма, чтобы в нее можно было вписать сферу? (Во-первых, в основании прямой призмы должен лежать многоугольник, в который можно вписать окружность, и, во-вторых, высота призмы должна равняться диаметру вписанной в основание окружности)

19. Приведите пример пирамиды, в которую нельзя вписать сферу? (Например, четырёхугольная пирамида, в основании которой лежит прямоугольник или параллелограмм)

20. В основании прямой призмы лежит ромб. Можно ли в эту призму вписать сферу? (Нет, нельзя, так как около ромба в общем случае нельзя описать окружность)

21. При каком условии в прямую треугольную призму можно вписать сферу? (Если высота призмы в два раза больше радиуса окружности, вписанной в основание)

22. При каком условии в правильную четырехугольную усеченную пирамиду можно вписать сферу? (Если сечением данной пирамиды плоскостью, проходящей через середину стороны основания перпендикулярно ей, является равнобедренная трапеция, в которую можно вписать окружность)

23. В треугольную усеченную пирамиду вписана сфера. Какая точка пирамиды является центром сферы? (Центр вписанной в данную пирамиду сферы находится на пересечении трёх биссектральных плоскостей углов, образованных боковыми гранями пирамиды с основанием)

24. Можно ли описать сферу около цилиндра (прямого кругового)? (Да, можно)

25. Можно ли описать сферу около конуса, усеченного конуса (прямых круговых)? (Да, можно, в обоих случаях)

26. Во всякий ли цилиндр можно вписать сферу? Какими свойствами должен обладать цилиндр, чтобы в него можно было вписать сферу? (Нет, не во всякий: осевое сечение цилиндра должно быть квадратом)

27. Во всякий ли конус можно вписать сферу? Как определить положение центра сферы, вписанной в конус? (Да, во всякий. Центр вписанной сферы находится на пересечении высоты конуса и биссектрисы угла наклона образующей к плоскости основания)

Автор считает, что из трех уроков, которые отводятся по планированию на тему “Разные задачи на многогранники, цилиндр, конус и шар”, два урока целесообразно отвести на решение задач на комбинацию шара с другими телами. Теоремы, приведенные выше, из-за недостаточного количества времени на уроках доказывать не рекомендуется. Можно предложить учащимся, которые владеют достаточными для этого навыками, доказать их, указав (по усморению учителя) ход или план доказательства.

Шар и сфера

Тело, полученное в результате вращения полукруга вокруг диаметра, называется шаром . Поверхность, образуемая при этом, называется сферой .Шаром называется тело, которое состоит из всех точек пространства, находящихся на расстоянии, не большем данного, от данной точки.Эта точка называется центром шара , а данное расстояние называется радиусом шара .Граница шара называется шаровой поверхностью или сферой.Любой отрезок, соединяющий центр шара с точкой шаровой поверхности, называется радиусом .Отрезок, соединяющий две точки шаровой поверхности и проходящий через центр шара, называется диаметром .Концы любого диаметра называются диаметрально противоположными точками шара.Всякое сечение шара плоскостью есть круг . Центр этого круга есть основание перпендикуляра, опущенного из центра на секущую плоскость.Плоскость, проходящая через центр шара, называется диаметральной плоскостью . Сечение шара диаметральной плоскостью называется большим кругом , а сечение сферы - большой окружностью .Любая диаметральная плоскость шара являются его плоскостью симметрии . Центр шара является его центром симметрии .Плоскость, проходящая через точку шаровой поверхности и перпендикулярная радиусу, проведенному в эту точку, называется касательной плоскостью . Данная точка называется точкой касания .Касательная плоскость имеет с шаром только одну общую точку - точку касания.Прямая, проходящая через заданную точку шаровой поверхности перпендикулярно к радиусу, проведенному в эту точку, называется касательной .Через любую точку шаровой поверхности проходит бесконечно много касательных, причем все они лежат в касательной плоскости шара.Шаровым сегментом называется часть шара, отсекаемая от него плоскостью.Шаровым слоем называется часть шара, расположенная между двумя параллельными плоскостями, пересекающими шар.Шаровой сектор получается из шарового сегмента и конуса.Если шаровой сегмент меньше полушара, то шаровой сегмент дополняется конусом, у которого вершина в центре шара, а основанием является основание сегмента.Если же сегмент больше полушара, то указанный конус из него удаляется.Основные формулы Шар (R = ОВ - радиус):S б = 4πR 2 ; V = 4πR 3 / 3.Шаровой сегмент (R = ОВ - радиус шара, h = СК - высота сегмента, r = КВ - радиус основания сегмента):V сегм = πh 2 (R - h / 3)или V сегм = πh(h 2 + 3r 2 ) / 6;S сегм = 2πRh.Шаровой сектор (R = ОВ - радиус шара, h = СК - высота сегмента):V = V сегм ± V кон , «+» - если сегмент меньше,«-» - если сегмент больше полусферы. или V = V сегм + V кон = πh 2 (R - h / 3) + πr 2 (R - h) / 3.Шаровой слой (R 1 и R 2 - радиусы оснований шарового слоя; h = СК - высота шарового слоя или расстояние между основаниями):V ш/сл = πh 3 / 6 + πh(R 1 2 + R 2 2 ) / 2;S ш/сл = 2πRh.Пример 1.Объем шара равен 288π см 3 . Найти диаметр шара.РешениеV = πd 3 / 6288π = πd 3 / 6πd 3 = 1728πd 3 = 1728d = 12 см.Ответ: 12.Пример 2.Три равных сферы радиусом r касаются друг друга и некоторой плоскости. Определить радиус четвертой сферы, касающейся трех данных и данной плоскости.Решение Пусть О 1 , О 2 , О 3 - центры данных сфер и О - центр четвертой сферы, касающейся трех данных и данной плоскости. Пусть А, В, С, Т - точки касания сфер с данной плоскостью. Точки касания двух сфер лежат на линии центров этих сфер, поэтому О 1 О 2 = О 2 О 3 = О 3 О 1 = 2r. Точки равноудалены от плоскости АВС, поэтому АВО 2 О 1 , АВО 2 О 3 , АВО 3 О 1 - равные прямоугольники, следовательно, ∆АВС - равносторонний со стороной 2r.Пусть х - искомый радиус четвертой сферы. Тогда ОТ = х. Следовательно, Аналогично Значит, Т - центр равностороннего треугольника. Поэтому Отсюда Ответ: r / 3.Сфера, вписанная в пирамидуВ каждую правильную пирамиду можно вписать сферу. Центр сферы лежит на высоте пирамиды в точке ее пересечения с биссектрисой линейного угла при ребре основания пирамиды.Замечание. Если в пирамиду, необязательно правильную, можно вписать сферу, то радиус r этой сферы можно вычислить по формуле r = 3V / S пп , где V - объем пирамиды, S пп - площадь ее полной поверхности.Пример 3.Коническая воронка, радиус основания которой R, а высота H, наполнена водой. В воронку опущен тяжелый шар. Каким должен быть радиус шара, чтобы объем воды, вытесненный из воронки погруженной частью шара, был максимальным?РешениеПроведем сечение через центр конуса. Данное сечение образует равнобедренный треугольник. Если в воронке находится шар, то максимальный размер его радиуса будет равен радиусу вписанной в получившийся равнобедренный треугольник окружности.Радиус вписанной в треугольник окружности равен:r = S / p, где S - площадь треугольника, p - его полупериметр.Площадь равнобедренного треугольника равна половине высоты (H = SO), умноженной на основание. Но поскольку основание - удвоенный радиус конуса, то S = RH.Полупериметр равен p = 1/2 (2R + 2m) = R + m.m - длина каждой из равных сторон равнобедренного треугольника;R - радиус окружности, составляющей основание конуса.Найдем m по теореме Пифагора: , откуда Кратко это выглядит следующим образом: Ответ: Пример 4.В правильной треугольной пирамиде с двугранным углом при основании, равным α, расположены два шара. Первый шар касается всех граней пирамиды, а второй шар касается всех боковых граней пирамиды и первого шара. Найти отношение радиуса первого шара к радиусу второго шара, если tgα = 24/7.Решение
Пусть РАВС - правильная пирамида и точка Н - центр ее основания АВС. Пусть М - середина ребра ВС. Тогда - линейный угол двугранного угла , который по условию равен α, причем α < 90°. Центр первого шара, касающегося всех граней пирамиды, лежит на отрезке РН в точке его пересечения с биссектрисой .Пусть НН 1 - диаметр первого шара и плоскость, проходящая через точку Н 1 перпендикулярно прямой РН, пересекает боковые ребра РА, РВ, РС соответственно в точках А 1 , В 1 , С 1 . Тогда Н 1 будет центром правильного ∆А 1 В 1 С 1 , а пирамида РА 1 В 1 С 1 будет подобна пирамиде РАВС с коэффициентом подобия k = РН 1 / РН. Заметим, что второй шар, с центром в точке О 1 , является вписанным в пирамиду РА 1 В 1 С 1 и поэтому отношение радиусов вписанных шаров равно коэффициенту подобия: ОН / ОН 1 = РН / РН 1 . Из равенства tgα = 24/7 находим: Пусть АВ = х. Тогда Отсюда искомое отношение ОН / О 1 Н 1 = 16/9.Ответ: 16/9.Сфера, вписанная в призмуДиаметр D сферы, вписанной в призму, равен высоте Н призмы: D = 2R = H.Радиус R сферы, вписанной в призму, равен радиусу окружности, вписанной в перпендикулярное сечение призмы.Если в прямую призму вписана сфера, то в основание этой призмы можно вписать окружность.Радиус R сферы, вписанной в прямую призму, равен радиусу окружности, вписанной в основание призмы.Теорема 1Пусть в основание прямой призмы можно вписать окружность, и высота Н призмы равна диаметру D этой окружности. Тогда в эту призму можно вписать сферу диаметром D. Центр этой вписанной сферы совпадает с серединой отрезка, соединяющего центры окружностей, вписанных в основания призмы.Доказательство Пусть АВС…А 1 В 1 С 1 … - прямая призма и О - центр окружности, вписанной в ее основание АВС. Тогда точка О равноудалена от всех сторон основания АВС. Пусть О 1 - ортогональная проекция точки О на основание А 1 В 1 С 1 . Тогда О 1 равноудалена от всех сторон основания А 1 В 1 С 1 , и ОО 1 || АА 1 . Отсюда следует, что прямая ОО 1 параллельна каждой плоскости боковой грани призмы, а длина отрезка ОО 1 равна высоте призмы и, по условию, диаметру окружности, вписанной в основание призмы. Значит, точки отрезка ОО 1 равноудалены от боковых граней призмы, а середина F отрезка ОО 1 , равноудаленная от плоскостей оснований призмы, будет равноудалена от всех граней призмы. То есть F - центр сферы, вписанной в призму, и диаметр этой сферы равен диаметру окружности, вписанной в основание призмы. Теорема доказана.Теорема 2Пусть в перпендикулярное сечение наклонной призмы можно вписать окружность, и высота призмы равна диаметру этой окружности. Тогда в эту наклонную призму можно вписать сферу. Центр этой сферы делит высоту, проходящую через центр окружности, вписанной в перпендикулярное сечение, пополам.Доказательство
Пусть АВС…А 1 В 1 С 1 … - наклонная призма и F - центр окружности радиусом FK, вписанной в ее перпендикулярное сечение. Поскольку перпендикулярное сечение призмы перпендикулярно каждой плоскости ее боковой грани, то радиусы окружности, вписанной в перпендикулярное сечение, проведенные к сторонам этого сечения, являются перпендикулярами к боковым граням призмы. Следовательно, точка F равноудалена от всех боковых граней.Проведем через точку F прямую ОО 1 , перпендикулярную плоскости оснований призмы, пересекающую эти основания в точках О и О 1 . Тогда ОО 1 - высота призмы. Поскольку по условию ОО 1 = 2FK, то F - середина отрезка ОО 1 :FK = ОО 1 / 2 = FО = FО 1 , т.е. точка F равноудалена от плоскостей всех без исключения граней призмы. Значит, в данную призму можно вписать сферу, центр которой совпадает с точкой F - центром окружности, вписанной в то перпендикулярное сечение призмы, которое делит высоту призмы, проходящую через точку F, пополам. Теорема доказана.Пример 5.В прямоугольный параллелепипед вписан шар радиуса 1. Найдите объем параллелепипеда.Решение Нарисуйте вид сверху. Или сбоку. Или спереди. Вы увидите одно и то же - круг, вписанный в прямоугольник. Очевидно, этот прямоугольник будет квадратом, а параллелепипед будет кубом. Длина, ширина и высота этого куба в два раза больше, чем радиус шара.АВ = 2, а следовательно, объем куба равен 8.Ответ: 8.Пример 6.В правильной треугольной призме со стороной основания, равной , расположены два шара. Первый шар вписан в призму, а второй шар касается одного основания призмы, двух ее боковых граней и первого шара. Найти радиус второго шара.Решение
Пусть АВСА 1 В 1 С 1 - правильная призма и точки Р и Р 1 - центры ее оснований. Тогда центр шара О, вписанного в эту призму, является серединой отрезка РР 1 . Рассмотрим плоскость РВВ 1 . Поскольку призма правильная, то РВ лежит на отрезке BN, который является биссектрисой и высотой ΔАВС. Следовательно, плоскость и является биссекторной плоскостью двугранного угла при боковом ребре ВВ 1 . Поэтому любая точка этой плоскости равноудалена от боковых граней АА 1 ВВ 1 и СС 1 В 1 В. В частности, перпендикуляр ОК, опущенный из точки О на грань АСС 1 А 1 , лежит в плоскости РВВ 1 и равен отрезку ОР.Заметим, что KNPO - квадрат, сторона которого равна радиусу шара, вписанного в данную призму.Пусть О 1 - центр шара, касающегося вписанного шара с центром О и боковых граней АА 1 ВВ 1 и СС 1 В 1 В призмы. Тогда точка О 1 лежит плоскости РВВ 1 , а ее проекция Р 2 на плоскость АВС лежит на отрезке РВ.По условию сторона основания равна , следовательно, PN = 2 и поэтому радиус шара ОР, вписанного в призму, также равен 2. Так как шары с центрами в точках О и О 1 касаются друг друга, то отрезок ОО 1 = ОР + О 1 Р 2 . Обозначим ОР = r, О 1 Р 2 = x. Рассмотрим ΔОО 1 Т, где В этом треугольнике ОО 1 = r + x, OТ = r - x. Поэтому Так как фигура О 1 Р 2 РТ - прямоугольник, то Далее, по свойству медиан треугольника РВ = 2r, а Р 2 В = 2х, поскольку в прямоугольном треугольнике и Р 2 L = х. Поскольку РВ = РР 2 + Р 2 В, то получаем уравнение , из которого, учитывая неравенство x < r, находим Подставив значение r = 2, окончательно находим Ответ: Сфера, описанная около многогранника
Сфера называется описанной около многогранника , если все его вершины лежат на этой сфере. При этом многогранник называется вписанным в сферу .Из определения следует, что если у многогранника существует описанная сфера, то все его грани являются вписанными многоугольниками и, следовательно, не каждый многогранник имеет описанную около него сферу.Например, наклонный параллелепипед не имеет описанной сферы, т.к. вокруг параллелограмма нельзя описать окружность.Центр сферы, описанной около прямой призмы - это середина отрезка, соединяющего центры окружностей, описанных около оснований прямой призмы.Пример 7.Найти радиус описанной около куба сферы, если объем куба 27. Ответ записать в виде РешениеОбъем куба ребро куба a = 3. По теореме Пифагора диагональ куба Тогда радиус найдем, как половину диагонали куба: Запишем ответ в виде Ответ: 1,5.Пример 8.Одно из оснований правильной треугольной призмы принадлежит большому кругу шара радиуса R, а вершины другого основания принадлежат поверхности этого шара. Определить высоту призмы, при которой ее объем будет наибольшим.Решение
Перпендикуляр к плоскости А 1 В 1 С 1 , проведенный из центра описанного около этого треугольника круга, проходит через центр шара. Обозначим ОВ 1 = R, ОВ = R 1 , ВВ 1 = h = x.Тогда Найдем производную, приравняем ее к нулю. Получим: Ответ:

Многогранники, описанные около сферы Многогранник называется описанным около сферы, если плоскости всех его граней касаются сферы. Сама сфера называется вписанной в многогранник. Теорема. В призму можно вписать сферу тогда и только тогда, когда в ее основание можно вписать окружность, и высота призмы равна диаметру этой окружности. Теорема. В любую треугольную пирамиду можно вписать сферу, и притом только одну.

Упражнение 1 Сотрите квадрат и нарисуйте два параллелограмма, изображающих верхнюю и нижнюю грани куба. Соедините их вершины отрезками. Получите изображение сферы, вписанной в куб. Изобразите сферу, вписанную в куб, как на предыдущем слайде. Для этого изобразите эллипс вписанный в параллелограмм, полученные сжатием окружности и квадрата в 4 раза. Отметьте полюса сферы и точки касания эллипса и параллелограмма.

Упражнение 4 Можно ли вписать сферу в прямоугольный параллелепипед, отличный от куба? Ответ: Нет.

Упражнение 5 Можно ли вписать сферу в наклонный параллелепипед, все грани которого ромбы? Ответ: Нет.

Упражнение 1 Можно ли вписать сферу в наклонную треугольную призму, в основании которой правильный треугольник? Ответ: Нет.

Упражнение 2 Найдите высоту правильной треугольной призмы и радиус, вписанной в нее сферы, если ребро основания призмы равно 1. 3 3 , . 3 6 h r Ответ:

Упражнение 3 В правильную треугольную призму вписана сфера радиуса 1. Найдите сторону основания и высоту призмы. 2 3, 2. a h Ответ:

Упражнение 4 В призму, в основании которой прямоугольный треугольник с катетами, равными 1, вписана сфера. Найдите радиус сферы и высоту призмы. 2 2 , 2 2. 2 r h Площадь треугольника ABC равна, периметр Воспользуемся формулой r = S / p. Получим 2 2. 1 ,

Упражнение 5 В призму, в основании которой равнобедренный треугольник со сторонами 2, 3, 3, вписана сфера. Найдите радиус сферы и высоту призмы. 2 , 2. 2 r h Площадь треугольника ABC равна Периметр равен 8. Воспользуемся формулой r = S / p. Получим 2 2.

Упражнение 1 Сфера вписана в прямую четырехугольную призму, в основании которой ромб со стороной 1 и острым углом 60 о. Найдите радиус сферы и высоту призмы. Решение. Радиус сферы равен половине высоты DG основания, т. е. Высота призмы равна диаметру сферы, т. е. 3. 4 r 3. 2 h

Упражнение 2 Единичная сфера вписана в прямую четырехугольную призму, в основании которой ромб с острым углом 60 о. Найдите сторону основания a и высоту призмы h. Ответ: 4 3 , 2. 3 a h

Упражнение 3 Сфера вписана в прямую четырехугольную призму, в основании которой трапеция. Высота трапеции равна 2. Найдите высоту призмы h и радиус r вписанной сферы. Ответ: 1, 2. r h

Упражнение 4 Сфера вписана в прямую четырехугольную призму, в основании которой четырехугольник, периметра 4 и площади 2. Найдите радиус r вписанной сферы. 1. r Решение. Заметим, что радиус сферы равен радиусу окружности, вписанной в основание призмы. Воспользуемся тем, что радиус окружности, вписанной в многоугольник, равен площади этого многоугольника делёной на его полупериметр. Получим,

Упражнение 1 Найдите высоту правильной шестиугольной призмы и радиус, вписанной в нее сферы, если сторона основания призмы равна 1. 3 3, . 2 h r Ответ:

Упражнение 2 В правильную шестиугольную призму вписана сфера радиуса 1. Найдите сторону основания и высоту призмы. 2 3 , 2. 3 a h Ответ:

Упражнение 1 Найдите радиус сферы, вписанной в единичный тетраэдр. 6. 12 r Ответ: Решение. В тетраэдре SABC имеем: SD = DE = SE = Из подобия треугольников SOF и SDE получаем уравнение решая которое, находим 3 , 2 3 , 6 6. 3 6 3 3: : , 3 6 2 r r 6. 12 r

Упражнение 2 В правильный тетраэдр вписана единичная сфера. Найдите ребро этого тетраэдра. 2 6. a Ответ:

Упражнение 3 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную треугольную пирамиду, сторона основания которой равна 2, и двугранные углы при основании равны 60 о. 3 1 30. 3 3 r tg Решение. Воспользуемся тем, что центр вписанной сферы является точкой пересечения биссектральных плоскостей двугранных углов при основании пирамиды. Для радиуса сферы OE имеет место равенство Следовательно, . OE DE tg O

Упражнение 4 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную треугольную пирамиду, боковые ребра которой равны 1, и плоские углы при вершине равны 90 о. 3 3. 6 r Ответ: Решение. В тетраэдре SABC имеем: SD = DE = SE = Из подобия треугольников SOF и SDE получаем уравнение решая которое, находим 2 , 2 6 , 6 3. 3 3 6 2: : , 3 6 2 r r 3 3. 6 r

Упражнение 1 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную четырехугольную пирамиду, все ребра которой равны 1. 6 2. 4 r Воспользуемся тем, что для радиуса r окружности, вписанной в треугольник, имеет место формула: r = S / p , где S – площадь, p – полупериметр треугольника. В нашем случае S = p = 3 , 2 2. 2 Решение. Радиус сферы равен радиусу окружности, вписанной в треугольник SEF , в котором SE = SF = EF= 1 , SG = 2 , 4 Следовательно, 1 3.

Упражнение 2 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную четырехугольную пирамиду, сторона основания которой равна 1, а боковое ребро — 2. 14 (15 1). 28 r Воспользуемся тем, что для радиуса r окружности, вписанной в треугольник, имеет место формула: r = S / p , где S – площадь, p – полупериметр треугольника. В нашем случае S = p = 15 , 214. 2 Решение. Радиус сферы равен радиусу окружности, вписанной в треугольник SEF , в котором SE = SF = EF= 1 , SG = 14 , 4 Следовательно, 1 15.

Упражнение 3 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную четырехугольную пирамиду, сторона основания которой равна 2, и двугранные углы при основании равны 60 о. 3 30. 3 r tg Решение. Воспользуемся тем, что центр вписанной сферы является точкой пересечения биссектральных плоскостей двугранных углов при основании пирамиды. Для радиуса сферы OG имеет место равенство Следовательно, . OG FG tg OFG

Упражнение 4 Единичная сфера вписана в правильную четырехугольную пирамиду, сторона основания которой равна 4. Найдите высоту пирамиды. Воспользуемся тем, что для радиуса r окружности, вписанной в треугольник, имеет место формула: r = S / p , где S – площадь, p – полупериметр треугольника. В нашем случае S = 2 h , p = 2 4 2. h. Решение. Обозначим высоту SG пирамиды h. Радиус сферы равен радиусу окружности, вписанной в треугольник SEF , в котором SE = SF = EF= 4. 2 4 , h 8. 3 h Следовательно, имеем равенство из которого находим 2 4 2 2 , h h

Упражнение 1 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную шестиугольную пирамиду, у которой ребра основания равны 1, а боковые ребра — 2. 15 3. 4 r Воспользуемся тем, что для радиуса r окружности, вписанной в треугольник, имеет место формула: r = S / p , где S – площадь, p – полупериметр треугольника. В нашем случае S = p = 3 , 2 Следовательно, 15 3. 2 15 , 2 Решение. Радиус сферы равен радиусу окружности, вписанной в треугольник SPQ , в котором SP = SQ = PQ= SH = 3.

Упражнение 2 Найдите радиус сферы, вписанной в правильную шестиугольную пирамиду, у которой ребра основания равны 1, и двугранные углы при основании равны 60 о. 3 1 30. 2 2 r tg Решение. Воспользуемся тем, что центр вписанной сферы является точкой пересечения биссектральных плоскостей двугранных углов при основании пирамиды. Для радиуса сферы OH имеет место равенство Следовательно, . OH HQ tg OQH

Упражнение Найдите радиус сферы, вписанной в единичный октаэдр. 6. 6 r Ответ: Решение. Радиус сферы равен радиусу окружности, вписанной в ромб SES’F , в котором SE = SF = EF= 1, SO = Тогда высота ромба, опущенная из вершины E , будет равна Искомый радиус равен половине высоты, и равен 6. 66. 3 2. 2 3 , 2 O

Упражнение Найдите радиус сферы, вписанной в единичный икосаэдр. 1 7 3 5. 2 6 r Решение. Воспользуемся тем, что радиус OA описанной сферы равен а радиус AQ окружности, описанной около равностороннего треугольника со стороной 1, равен По теореме Пифагора, примененной к прямоугольному треугольнику OAQ , получим 10 2 5 , 4 3.

Упражнение Найдите радиус сферы, вписанной в единичный додекаэдр. 1 25 11 5. 2 10 r Решение. Воспользуемся тем, что радиус OF описанной сферы равен а радиус FQ окружности, описанной около равностороннего пятиугольника со стороной 1, равен По теореме Пифагора, примененной к прямоугольному треугольнику OFQ , получим 18 6 5 , 4 5 5.

Упражнение 1 Можно вписать сферу в усеченный тетраэдр? Решение. Заметим, что центр O сферы, вписанной в усеченный тетраэдр должен совпадать с центром сферы, вписанной в тетраэдр, который совпадает с центром сферы, полувписанной в усеченный тетраэдр. Расстояния d 1 , d 2 от точки O до шестиугольной и треугольной граней вычисляются по теореме Пифагора: где R – радиус полувписанной сферы, r 1 , r 2 – радиусы окружностей, вписанных в шестиугольник и треугольник, соответственно. Поскольку r 1 > r 2 , то d 1 < d 2 и, следовательно, сферы, вписанной в усеченный тетраэдр, не существует. 2 2 1 1 2 2 , d R r

Упражнение 2 Можно вписать сферу в усеченный куб? Ответ: Нет. Доказательство аналогично предыдущему.

Упражнение 3 Можно вписать сферу в усеченный октаэдр? Ответ: Нет. Доказательство аналогично предыдущему.

Упражнение 4 Можно вписать сферу в кубооктаэдр? Ответ: Нет. Доказательство аналогично предыдущему.

XV ГОРОДСКАЯ ОТКРЫТАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

«ИНТЕЛЕКТУАЛЫ XXI ВЕКА»

Секция: МАТЕМАТИКА

Описанная сфера на олимпиадах и ЕГЭ

Кияева Анна Анатольевна

Оренбург – 2008

1.2 Описанная сфера

1.2.1 Основные свойства и определения

1.2.2 Комбинация с пирамидой

1.2.3 Комбинация с призмой

1.2.4 Комбинация с цилиндром

1.2.5 Комбинация с конусом

2 Примеры олимпиадных заданий

2.1 Примеры олимпиадных заданий с пирамидой

2.2 Примеры олимпиадных заданий с призмой

2.3 Примеры олимпиадных заданий с цилиндром

2.4 Примеры олимпиадных заданий с конусом

3.3 Примеры заданий ЕГЭ с цилиндром

3.4 Примеры заданий ЕГЭ с конусом

Введение

Данная работа выполняется в рамках проекта по созданию математической странички для школьников на сайте лицея-интерната и будет размещена в разделе «Математические методы».

Цель работы – создание справочника, посвященного методу решения геометрических задач с описанной сферой на олимпиадах и ЕГЭ.

Для достижения данной цели нам необходимо было решить следующие задачи :

1) ознакомиться с понятием описанной сферы;

2) изучить особенности комбинаций описанной сферы с пирамидой, призмой, цилиндром и конусом;

3) среди геометрических задач выбрать те, которые содержат условие наличия описанной сферы;

4) проанализировать, систематизировать и проклассифицировать собранный материал;

5) сделать подборку задач для самостоятельного решения;

6) оформить результат исследования в виде реферата.

В процессе исследования мы выяснили, что задачи с описанной сферой достаточно часто предлагаются школьникам на ЕГЭ, поэтому умение решать задачи данного типа играет немало важную роль в успешной сдаче экзаменов. Так же задачи с описанной сферой часто встречаются на олимпиадах по математике различного уровня. Соответствующие примеры приведены в нашей работе. Данная тема является актуальной , так как задачи данного типа обычно вызывают затруднения у школьников.

Практическая значимость – подготовленные нами материалы могут быть использованы при подготовке школьников к олимпиадам, ЕГЭ и последующему обучению в вузе.

1 Сфера и шар

1.1 Сфера и шар: основные понятия и определения

Сферой называется поверхность, состоящая всех точек пространства, расположенных на данном расстоянии от данной точки.

Данная точка называется центром сферы (точка О на рис. 1), а данное расстояние радиусом сферы . Любой отрезок, соединяющий центр и какую-нибудь точку сферы, так же называется радиусом сферы. Отрезок, соединяющий две точки сферы и проходящий через её центр, называется диаметром сферы (отрезок DC на рис. 1). Отметим, что сфера может быть получена вращением полуокружности вокруг её диаметра.

Шаром называется тело, ограниченное сферой. Центр, радиус и диаметр сферы называются также центром , радиусом и диаметром шара . Очевидно, шар радиуса R с центром в О содержит все точки пространства, которые расположены от точки О на расстоянии, не превышающем R (включая точку О ), и не содержит других точек. Шаром также называют фигуру вращения полукруга вокруг его диаметра. Шаровой сегмент – часть шара, отсекаемая от него какой-нибудь плоскостью. Всякое сечение шара плоскостью есть круг. Центр этого круга есть основание перпендикуляра, опущенного из центра шара на секущую плоскость. Плоскость, проходящая через центра шара, называется диаметральной плоскостью. Сечение шара диаметральной плоскостью называется большим кругом , а сечение сферы – большой окружностью. Шаровой сектор – геометрическое тело, которое получается при вращении кругового сектора с углом, меньшим 90 о, вокруг прямой, содержащей один из ограничивающих круговой сектор радиусов. Шаровой сектор состоит из шарового сегмента и конуса с общим основанием.

Площадь поверхности сферы:

S = 4πR 2 ,

где R – радиус шара, S - площадь сферы.

Объем сферы

где V – объём шара

Объем шарового сектора

,

V – объём шарового сегмента.

Площадь сегментальной поверхности

- высота сегмента, площадь сегментальной поверхности

Радиус основания сегмента

, - радиус основания сегмента, - высота сегмента, 0<H < 2R .

Площадь сферической поверхности шарового сегмента

- площадь сферической поверхности шарового сегмента.

В пространстве для шара и плоскости возможны три случая:

1) Если расстояние от центра шара до плоскости больше радиуса шара, то шар и плоскость не имеют общих точек.

2) Если расстояние от центра шара до плоскости равно радиусу шара, то плоскость имеет с шаром и ограничивающей его сферой только одну общую точку.

3) Если расстояние от центра шара до плоскости меньше радиуса шара, то пересечение шара с плоскостью представляет собой круг. Центр этого круга является проекцией центра шара на данную плоскость. Пересечение плоскости со сферой является окружностью указанного круга.

1.2 Описанная сфера

1.2.1 Определения и свойства

Сфера называется описанной около многогранника (а многогранник - вписанным в сферу ), если все вершины многогранника лежат на сфере.

Из определения описанной сферы следуют два факта:

1) все вершины вписанного в сферу многогранника равноудалены от некоторой точки (от центра описанной сферы);

2) каждая грань вписанного в сферу многогранника является вписанным в некоторую окружность многоугольником, именно в ту окружность, которая получается в сечении сферы плоскостью грани; при этом основание перпендикуляров, опущенных из центра описанной сферы на плоскости граней, являются центрами описанных около граней окружностей.

Теорема 1. Около многогранника можно описать сферу, если и только если выполняется любое из условий:

а) около всякой грани многогранника можно описать окружность, и оси окружностей, описанных около граней многогранника, пересекаются в одной точке;

б) плоскости, перпендикулярные к ребрам многогранника и проходящие через их середины, пересекаются в одной точке;

в) существует единственная точка, равноудаленная от всех вершин многогранника.

Доказательство.

Необходимость. Пусть около многогранника описана сфера. Докажем, что выполняется условие а). Действительно, поскольку плоскость данной грани многогранника пересекает сферу по окружности, то вершины грани, принадлежащие сфере и плоскости грани, принадлежат линии их пересечения - окружности. Поскольку центр сферы равноудален от всех вершин данной грани, то он лежит на перпендикуляре к этой грани, проведенном через центр описанной около грани окружности.

Достаточность. Пусть выполняется условие а). Докажем, что около многогранника можно описать сферу. В самом деле, поскольку общая точка перпендикуляров к граням, проведенных через центры описанных около граней окружностей, равноудалена от всех вершин многогранника, то около многогранника описывается сфера с центром в этой точке.

Условие а) в данном случае равносильно условиям б) и в).

Если сфера описана около многогранника, то: а) основание перпендикуляра, опущенного из центра сферы на любую грань, является центром окружности, описанной около этой грани (как основание высоты пирамиды с равными боковыми ребрами - радиусами сферы, проведенными из ее центра в вершины данной грани); б) центр сферы, описанной около многогранника, может находиться внутри многогранника, на его поверхности (в центре описанной около грани окружности, в частности - в середине некоторого ребра), вне многогранника.

1.2.2 Описанная сфера и пирамида

Теорема 2 . Около пирамиды можно описать сферу, если и только если около ее основания можно описать окружность.

Доказательство. Пусть около основания пирамиды описывается окружность. Тогда эта окружность и точка вне плоскости этой окружности - вершина пирамиды - определяют единственную сферу, которая и будет описанной около пирамиды. И обратно. Если около пирамиды описана сфера, то сечение сферы плоскостью основания пирамиды есть окружность, описанная около основания.

Следствие 1. Около всякого тетраэдра можно описать сферу.

Или сферой . Любой отрезок, соединяющий центр шара с точкой шаровой поверхности, называется радиусом . Отрезок, соединяющий две точки шаровой поверхности и проходящий через центр шара, называется диаметром . Концы любого диаметра называются диаметрально противоположными точками шара. Всякое сечение шара плоскостью есть круг . Центр этого круга есть основание перпендикуляра, опущенного из центра на секущую плоскость. Плоскость, проходящая через центр шара, называется диаметральной плоскостью . Сечение шара диаметральной плоскостью называется большим кругом , а сечение сферы - большой окружностью . Любая диаметральная плоскость шара являются его плоскостью симметрии . Центр шара является его центром симметрии . Плоскость, проходящая через точку шаровой поверхности и перпендикулярная радиусу, проведенному в эту точку, называется касательной плоскостью . Данная точка называется точкой касания . Касательная плоскость имеет с шаром только одну общую точку - точку касания. Прямая, проходящая через заданную точку шаровой поверхности перпендикулярно к радиусу, проведенному в эту точку, называется касательной . Через любую точку шаровой поверхности проходит бесконечно много касательных, причем все они лежат в касательной плоскости шара. Шаровым сегментом называется часть шара, отсекаемая от него плоскостью. Шаровым слоем называется часть шара, расположенная между двумя параллельными плоскостями, пересекающими шар. Шаровой сектор получается из шарового сегмента и конуса. Если шаровой сегмент меньше полушара, то шаровой сегмент дополняется конусом, у которого вершина в центре шара, а основанием является основание сегмента. Если же сегмент больше полушара, то указанный конус из него удаляется. Основные формулы Шар (R = ОВ - радиус): S б = 4πR 2 ; V = 4πR 3 / 3. Шаровой сегмент (R = ОВ - радиус шара, h = СК - высота сегмента, r = КВ - радиус основания сегмента): V сегм = πh 2 (R - h / 3) или V сегм = πh(h 2 + 3r 2) / 6 ; S сегм = 2πRh . Шаровой сектор (R = ОВ - радиус шара, h = СК - высота сегмента): V = V сегм ± V кон, «+» - если сегмент меньше,«-» - если сегмент больше полусферы. или V = V сегм + V кон = πh 2 (R - h / 3) + πr 2 (R - h) / 3 . Шаровой слой (R 1 и R 2 - радиусы оснований шарового слоя; h = СК - высота шарового слоя или расстояние между основаниями): V ш/сл = πh 3 / 6 + πh(R 1 2 + R 2 2 ) / 2 ; S ш/сл = 2πRh . Пример 1. Объем шара равен 288π см 3 . Найти диаметр шара. Решение V = πd 3 / 6 288π = πd 3 / 6 πd 3 = 1728π d 3 = 1728 d = 12 см. Ответ: 12. Пример 2. Три равных сферы радиусом r касаются друг друга и некоторой плоскости. Определить радиус четвертой сферы, касающейся трех данных и данной плоскости. Решение Пусть О 1 , О 2 , О 3 - центры данных сфер и О - центр четвертой сферы, касающейся трех данных и данной плоскости. Пусть А, В, С, Т - точки касания сфер с данной плоскостью. Точки касания двух сфер лежат на линии центров этих сфер, поэтому О 1 О 2 = О 2 О 3 = О 3 О 1 = 2r . Точки равноудалены от плоскости АВС , поэтому АВО 2 О 1 , АВО 2 О 3 , АВО 3 О 1 - равные прямоугольники, следовательно, ∆АВС - равносторонний со стороной 2r . Пусть х - искомый радиус четвертой сферы. Тогда ОТ = х . Следовательно, Аналогично Значит, Т - центр равностороннего треугольника. Поэтому Отсюда Ответ: r / 3 . Сфера, вписанная в пирамиду В каждую правильную пирамиду можно вписать сферу. Центр сферы лежит на высоте пирамиды в точке ее пересечения с биссектрисой линейного угла при ребре основания пирамиды. Замечание. Если в пирамиду, необязательно правильную, можно вписать сферу, то радиус r этой сферы можно вычислить по формуле r = 3V / S пп , где V - объем пирамиды, S пп - площадь ее полной поверхности. Пример 3. Коническая воронка, радиус основания которой R , а высота H , наполнена водой. В воронку опущен тяжелый шар. Каким должен быть радиус шара, чтобы объем воды, вытесненный из воронки погруженной частью шара, был максимальным? Решение Проведем сечение через центр конуса. Данное сечение образует равнобедренный треугольник. Если в воронке находится шар, то максимальный размер его радиуса будет равен радиусу вписанной в получившийся равнобедренный треугольник окружности. Радиус вписанной в треугольник окружности равен: r = S / p , где S - площадь треугольника, p - его полупериметр. Площадь равнобедренного треугольника равна половине высоты (H = SO ), умноженной на основание. Но поскольку основание - удвоенный радиус конуса, то S = RH . Полупериметр равен p = 1/2 (2R + 2m) = R + m . m - длина каждой из равных сторон равнобедренного треугольника; R - радиус окружности, составляющей основание конуса. Найдем m по теореме Пифагора: , откуда Кратко это выглядит следующим образом: Ответ: Пример 4. В правильной треугольной пирамиде с двугранным углом при основании, равным α , расположены два шара. Первый шар касается всех граней пирамиды, а второй шар касается всех боковых граней пирамиды и первого шара. Найти отношение радиуса первого шара к радиусу второго шара, если tgα = 24/7 . Решение
Пусть РАВС - правильная пирамида и точка Н - центр ее основания АВС . Пусть М - середина ребра ВС . Тогда - линейный угол двугранного угла , который по условию равен α , причем α < 90° . Центр первого шара, касающегося всех граней пирамиды, лежит на отрезке РН в точке его пересечения с биссектрисой . Пусть НН 1 - диаметр первого шара и плоскость, проходящая через точку Н 1 перпендикулярно прямой РН , пересекает боковые ребра РА, РВ, РС соответственно в точках А 1 , В 1 , С 1 . Тогда Н 1 будет центром правильного ∆А 1 В 1 С 1 , а пирамида РА 1 В 1 С 1 будет подобна пирамиде РАВС с коэффициентом подобия k = РН 1 / РН . Заметим, что второй шар, с центром в точке О 1 , является вписанным в пирамиду РА 1 В 1 С 1 и поэтому отношение радиусов вписанных шаров равно коэффициенту подобия: ОН / ОН 1 = РН / РН 1 . Из равенства tgα = 24/7 находим: Пусть АВ = х . Тогда Отсюда искомое отношение ОН / О 1 Н 1 = 16/9. Ответ: 16/9. Сфера, вписанная в призму Диаметр D сферы, вписанной в призму, равен высоте Н призмы: D = 2R = H . Радиус R сферы, вписанной в призму, равен радиусу окружности, вписанной в перпендикулярное сечение призмы. Если в прямую призму вписана сфера, то в основание этой призмы можно вписать окружность. Радиус R сферы, вписанной в прямую призму, равен радиусу окружности, вписанной в основание призмы. Теорема 1 Пусть в основание прямой призмы можно вписать окружность, и высота Н призмы равна диаметру D этой окружности. Тогда в эту призму можно вписать сферу диаметром D . Центр этой вписанной сферы совпадает с серединой отрезка, соединяющего центры окружностей, вписанных в основания призмы. Доказательство Пусть АВС…А 1 В 1 С 1 … - прямая призма и О - центр окружности, вписанной в ее основание АВС . Тогда точка О равноудалена от всех сторон основания АВС . Пусть О 1 - ортогональная проекция точки О на основание А 1 В 1 С 1 . Тогда О 1 равноудалена от всех сторон основания А 1 В 1 С 1 , и ОО 1 || АА 1 . Отсюда следует, что прямая ОО 1 параллельна каждой плоскости боковой грани призмы, а длина отрезка ОО 1 равна высоте призмы и, по условию, диаметру окружности, вписанной в основание призмы. Значит, точки отрезка ОО 1 равноудалены от боковых граней призмы, а середина F отрезка ОО 1 , равноудаленная от плоскостей оснований призмы, будет равноудалена от всех граней призмы. То есть F - центр сферы, вписанной в призму, и диаметр этой сферы равен диаметру окружности, вписанной в основание призмы. Теорема доказана. Теорема 2 Пусть в перпендикулярное сечение наклонной призмы можно вписать окружность, и высота призмы равна диаметру этой окружности. Тогда в эту наклонную призму можно вписать сферу. Центр этой сферы делит высоту, проходящую через центр окружности, вписанной в перпендикулярное сечение, пополам. Доказательство
Пусть АВС…А 1 В 1 С 1 … - наклонная призма и F - центр окружности радиусом FK , вписанной в ее перпендикулярное сечение. Поскольку перпендикулярное сечение призмы перпендикулярно каждой плоскости ее боковой грани, то радиусы окружности, вписанной в перпендикулярное сечение, проведенные к сторонам этого сечения, являются перпендикулярами к боковым граням призмы. Следовательно, точка F равноудалена от всех боковых граней. Проведем через точку F прямую ОО 1 , перпендикулярную плоскости оснований призмы, пересекающую эти основания в точках О и О 1 . Тогда ОО 1 - высота призмы. Поскольку по условию ОО 1 = 2FK , то F - середина отрезка ОО 1 : FK = ОО 1 / 2 = FО = FО 1 , т.е. точка F равноудалена от плоскостей всех без исключения граней призмы. Значит, в данную призму можно вписать сферу, центр которой совпадает с точкой F - центром окружности, вписанной в то перпендикулярное сечение призмы, которое делит высоту призмы, проходящую через точку F , пополам. Теорема доказана. Пример 5. В прямоугольный параллелепипед вписан шар радиуса 1. Найдите объем параллелепипеда. Решение Нарисуйте вид сверху. Или сбоку. Или спереди. Вы увидите одно и то же - круг, вписанный в прямоугольник. Очевидно, этот прямоугольник будет квадратом, а параллелепипед будет кубом. Длина, ширина и высота этого куба в два раза больше, чем радиус шара. АВ = 2 , а следовательно, объем куба равен 8. Ответ: 8. Пример 6. В правильной треугольной призме со стороной основания, равной , расположены два шара. Первый шар вписан в призму, а второй шар касается одного основания призмы, двух ее боковых граней и первого шара. Найти радиус второго шара. Решение
Пусть АВСА 1 В 1 С 1 - правильная призма и точки Р и Р 1 - центры ее оснований. Тогда центр шара О , вписанного в эту призму, является серединой отрезка РР 1 . Рассмотрим плоскость РВВ 1 . Поскольку призма правильная, то РВ лежит на отрезке BN , который является биссектрисой и высотой ΔАВС . Следовательно, плоскость и является биссекторной плоскостью двугранного угла при боковом ребре ВВ 1 . Поэтому любая точка этой плоскости равноудалена от боковых граней АА 1 ВВ 1 и СС 1 В 1 В . В частности, перпендикуляр ОК , опущенный из точки О на грань АСС 1 А 1 , лежит в плоскости РВВ 1 и равен отрезку ОР . Заметим, что KNPO - квадрат, сторона которого равна радиусу шара, вписанного в данную призму. Пусть О 1 - центр шара, касающегося вписанного шара с центром О и боковых граней АА 1 ВВ 1 и СС 1 В 1 В призмы. Тогда точка О 1 лежит плоскости РВВ 1 , а ее проекция Р 2 на плоскость АВС лежит на отрезке РВ . По условию сторона основания равна