Как найти сектор боковой поверхности конуса

На этом уроке мы выведем и научимся применять
формулы для вычисления площади боковой поверхности конуса и площади полной
поверхности конуса.

Для начала давайте вспомним, что же это за
геометрическое тело – конус.

Итак, тело, ограниченное
конической поверхностью и кругом с границей , называется конусом.

Напомним, что боковой поверхностью конуса
называется фигура, образованная всеми образующими конуса.

На экране изображён конус, у которого радиус
равен , а
образующая равна . Боковую
поверхность конуса, как и боковую поверхность цилиндра, можно развернуть на
плоскость, разрезав её по одной из образующих.

Давайте представим, что боковую поверхность
конуса разрезали по образующей  и развернули
таким образом, что получился круговой сектор .

Стороны  и  которого
являются двумя краями разреза боковой поверхности конуса.

Развёрткой боковой поверхности
конуса является круговой сектор. Обратите внимание, радиус сектора равен
образующей конуса, т.е. .
А длина дуги сектора равна длине окружности основания конуса, т.е. равна .

За площадь боковой поверхности конуса
принимается площадь её развёртки. Выразим площадь боковой поверхности конуса
через его образующую  и радиус
основания .

Площадь кругового сектора – развёртки боковой
поверхности конуса – равна , где  – градусная
мера дуги .

Выразим  через длину
дуги и радиус окружности. Длина дуги окружности с градусной мерой  и радиусом  равна . С другой
стороны, длина этой дуги равна два пи эр, т.е. пи эль альфа деленное на сто
восемьдесят равно . Отсюда, . Подставим
это выражение в формулу площади боковой поверхности конуса. Тогда площадь
боковой поверхности конуса равна . Т.е.
площадь боковой поверхности конуса с образующей  и радиусом
основания  выражается следующей
формулой:  .

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

Теперь выведем формулу для вычисления площади
полной поверхности конуса.

Вообще, площадью полной поверхности
конуса называется сумма площадей боковой поверхности и основания. Формулу
для вычисления площади боковой поверхности конуса  мы с вами выразили выше, а площадь круга равна . Подставим
все данные в формулу.

Упростим. Отсюда, получаем, что площадь полной
поверхности конуса равна .

А сейчас давайте решим несколько задач на
применение выведенных формул.

Задача: образующая  конуса равна
 см, а его
высота –  см.
Вычислите площадь боковой поверхности конуса.

Решение: запишем формулу для
вычисления площади боковой поверхности конуса.

Теперь внимательно рассмотрим рисунок.

Напомним, что высота конуса перпендикулярна
его основанию. А, значит, она перпендикулярна любой прямой, лежащей в плоскости
основания конуса. Следовательно, высота конуса .

Рассмотрим . Он
прямоугольный. Применяя теорему Пифагора, найдём длину стороны , которая и
является радиусом основания конуса. Получаем, что ОА равно  . 

Подставим длину образующей конуса и его радиус
в формулу для вычисления площади боковой поверхности конуса. Посчитаем.
Получим, что площадь боковой поверхности конуса равна .

Запишем ответ.

Задача: радиус основания конуса
равен  дм, а
площадь его осевого сечения –  дм².
Вычислите площадь боковой поверхности конуса.

Решение: запишем формулу для
вычисления площади боковой поверхности конуса.

Теперь рассмотрим рисунок.

Напомним, что осевым сечением конуса называется сечение
конуса плоскостью, проходящей через его ось, и представляет собой равнобедренный треугольник, основание которого –
диаметр основания конуса, а боковые стороны – образующие конуса. Значит,  – равнобедренный.

Так как по
условию задачи радиус основания конуса равен 9 дм, то основание осевого сечения
равно  .

Напомним, что
площадь треугольника равна половине произведения длины основания на высоту . Выразим из формулы высоту . Получаем, что высота треугольника, а она является и
высотой конуса, равна  .

Рассмотрим . Он прямоугольный, так как . Применяя теорему Пифагора, найдём длину . Получаем, что  . Обратите внимание, гипотенуза  есть образующая нашего конуса.

Подставим
найденную длину образующей конуса и его радиус в формулу для вычисления площади
боковой поверхности конуса. Посчитаем. Получим, что площадь боковой поверхности
конуса равна  .

Не забудем
записать ответ.

Задача: прямоугольный треугольник, длины катетов которого
равны  см и  см, вращается вокруг меньшего катета. Вычислите
площадь полной поверхности конуса, образованного при этом вращении.

Решение: запишем формулу для вычисления площади полной
поверхности конуса.

Рассмотрим . Он прямоугольный по условию.

Воспользуемся теоремой
Пифагора и найдём длину гипотенузы , которая и является образующей конуса. Имеем, .

Так как по
условию задачи треугольник вращается вокруг меньшего катета, то радиус
основания конуса, образованного при этом вращении, равен .

Подставим длину
образующей конуса и его радиус в формулу для вычисления площади полной
поверхности конуса. Посчитаем. Получим, что площадь полной поверхности нашего
конуса равна .

Запишем ответ.

Итоги:

На этом уроке
мы вывели формулы для вычисления площади боковой поверхности конуса и
площади полной поверхности конуса. А также научились их применять при решении
задач.

Каждая объемная фигура, которая имеет конечные линейные размеры, обладает в пространстве некоторой площадью поверхности. В статье рассмотрим, чему равна площадь боковой поверхности конуса, приведем соответствующие формулы и покажем, откуда они выводятся.

Что такое конус?

В общем случае конусом в геометрии называют любую пространственную фигуру, которая образована в результате соединения фиксированной точки пространства со всеми точками некоторой плоской кривой. Фиксированная точка называется вершиной фигуры. Отрезки, соединяющие ее с кривой, получили название генератрис, или образующих, поскольку их совокупность образует коническую поверхность. Кривая, на которую опирается эта поверхность, называется директрисой, то есть направляющей. Директрисой может быть произвольная кривая, например, гипербола, окружность, парабола, эллипс и так далее. Образованный на них конус будет гиперболическим, круглым, параболическим и эллиптическим, соответственно.

Выше рисунок демонстрирует пример двух одинаковых эллиптических конусов, обращенных друг к другу своими вершинами.

Круглый конус

Площадь боковой поверхности конуса будем рассматривать на примере круглой прямой фигуры. Такой конус представляет собой круглое основание, на которое опирается коническая поверхность. Эта фигура показана ниже.

Все генератрисы этой фигуры равны между собой. Их длина всегда больше радиуса основания. Расстояние от вершины конуса до его круглого основания называется высотой. Высота пересекает круг в его центре, поэтому конус называется прямым.

Получить этот конус не представляет никакой сложности. Для этого следует взять любой треугольник, имеющий прямой угол, и вращать его вокруг одного из катетов так, как показано ниже на схеме.

Если обозначить гипотенузу этого треугольника буквой g, а его катеты h и r, тогда будет справедливо равенство:

g² = h² + r².

Для полученного конуса g — это генератриса, h — высота, r — радиус круга.

Чему равна боковая поверхность конуса с круглым основанием?

Ответить на этот вопрос проще всего, если разрезать коническую поверхность вдоль одной из генератрис и развернуть ее на плоскости. Получившаяся фигура называется разверткой боковой поверхности. Она показана на главном фото к статье, где также приводится круг — основание фигуры.

Эта развертка показывает, что площадь боковой поверхности конуса равна площади соответствующего кругового сектора. Он ограничен двумя генератрисами g, которые представляют радиус полного круга, и дугой. Длина последней точно равна длине окружности основания. Получим формулу для площади этого сектора.

Сначала определим угол в радианах, соответствующий дуге сектора. Его можно найти с использованием следующей пропорции:

2*pi ==> 2*pi*g;

x ==> 2*pi*r.

Здесь 2*pi*g — это длина всей окружности, ограничивающей рассматриваемый сектор, 2*pi*r — это длина дуги сектора. Угол в радианах x сектора будет равен:

x = 2*pi*r*2*pi/(2*pi*g) = 2*pi*r/g.

Для определения площади рассматриваемого сектора, следует воспользоваться пропорцией через соответствующие площади. Имеем:

2*pi ==> pi*g²;

2*pi*r/g ==> S_b.

Здесь pi*g² является площадью круга, построенного с помощью образующей g, S_b — площадь боковой поверхности конуса, равная площади рассматриваемого кругового сектора. Результатом решения пропорции будет конечная формула для S_b:

S_b = pi*g²*2*pi*r/g/(2*pi) = pi*r*g.

Таким образом, чтобы найти площадь конической поверхности, достаточно умножить радиус фигуры на ее директрису и на число пи.

При получении конечной формулы для S_b через пропорции использовалось свойство равенства угла полной окружности числу 2*pi радиан.

Понятие о конусе усеченном

Пусть имеется круглый прямой конус. Возьмем плоскость и отсечем от этой фигуры верхнюю часть таким образом, чтобы секущая плоскость прошла параллельно основанию конуса. Оставшаяся под плоскостью фигура называется прямым усеченным конусом с параллельными основаниями. Он показан на рисунке ниже.

В отличие от исходной фигуры, усеченный конус образован тремя поверхностями:

• малое круглое основание;
• большое круглое основание;
• часть конической поверхности.

Последняя в списке является боковой поверхностью для рассматриваемой фигуры.

Для усеченной фигуры справедливы те же понятия, что для полного конуса. Так, расстояние между его основаниями — это высота h, каждое основание имеет свой радиус (r₁ и r₂). Часть генератрисы исходного конуса теперь является генератрисой конуса усеченного. Обозначим ее буквой l.

Между отмеченными линейными параметрами существует следующая связь:

l² = h² + (r₁-r₂)².

Боковая поверхность усеченной фигуры

Выше было сказано, что представляет собой боковая поверхность для конуса усеченного. Разрезая ее вдоль одной из генератрис, получим следующий результат.

Два круга представляют собой основания. Четырехугольная фигура, ограниченная двумя прямыми отрезками и двумя дугами — это искомая боковая поверхность усеченного конуса, площадь которой необходимо найти. Решим эту задачу.

Заметим, что эта поверхность представляет собой сектор круга, у которого вырезана центральная часть. Обозначим радиус внешней дуги как g. Тогда радиус внутренней дуги будет равен g — l. Используя результаты решения предыдущей пропорции при определении угла сектора x, можно записать следующее равенство:

x = 2*pi*r₁/g = 2*pi*r₂/(g-l) =>

g = l*r₁/(r₁-r₂).

Искомая площадь S_b равна разнице площадей секторов, построенных с помощью радиусов g и g-l. Используя формулу для площади сектора, полученную выше, можно записать:

S_b = pi*g*r₁ — pi*(g-l)*r₂.

Подставляя в это выражение формулу для g, получаем конечное равенство для площади боковой поверхности конуса усеченного:

S_b = pi*l*(r₁+r₂).

Задача на определение площади конической поверхности

Решим простую задачу. Необходимо найти площадь боковой поверхности конуса, если известно, что его высота h равна диаметру основания, а генератриса составляет 15 см.

Запишем соответствующую формулу для S_b, из которой будет видно, какие величины следует рассчитать. Имеем:

S_b = pi*r*g.

Значение генератрисы g известно из условия задачи. Остается определить радиус фигуры.

Генератриса, высота и радиус связаны друг с другом следующим равенством:

g² = h² + r².

Из условия следует, что 2*r = h. Подставляя значение h в выражение, получим:

g² = (2*r)² + r² = 5*r² =>

r = g/√5.

Теперь формулу для радиуса основания подставляем в выражение для S_b, получаем:

S_b = pi/√5*g².

Мы получили конечную формулу, из которой видно, что площадь искомой поверхности зависит только от длины генератрисы. Подставляя g = 15 см, получаем ответ на задачу: S_b ≈ 315,96 см².

Просмотры: 53

Конусом называется тело, полученное вращением прямоугольного треугольника вокруг оси, проходящей через один из его катетов (рис. 126).

На рисунке 127 показано образование конуса при вращении прямоугольного треугольника вокруг прямой , которой принадлежит катет . При этом ломаная описывает поверхность конуса, гипотенуза — боковую поверхность, а катет — основание конуса (рис. 128). Саму гипотенузу называют образующей конуса, неподвижную точку — вершиной конуса, прямую, проходящую через неподвижный катет , — осью конуса, а перпендикуляр, опущенный из вершины конуса на основание, — высотой конуса (рис. 129). Основание высоты конуса совпадает с центром основания конуса.

Поверхность конуса можно развернуть на плоскость, в результате получится сектор, представляющий боковую поверхность конуса, и круг, представляющий основание конуса. На рисунке 130 представлены конус и его развертка.

Теорема 5.

Боковая поверхность конуса равна произведению полуокружности его основания и образующей:

Доказательство проведите самостоятельно, используя рисунок 130.

Важной пространственной конфигурацией, которая часто встречается в задачах, является сочетание конуса с плоскостью.

Если конус пересечь плоскостью, параллельной основанию, то получится круг (рис. 131), а если плоскостью, проходящей через вершину, то — равнобедренный треугольник, у которого боковые стороны являются образующими конуса (рис. 132).

Осевое сечение конуса, т. е. сечение плоскостью, проходящей через ось конуса, является равнобедренным треугольником, у которого основание равно диаметру основания конуса (рис. 133).

Проведем через вершину конуса секущую плоскость и будем ее поворачивать вокруг прямой, перпендикулярной оси конуса (рис. 134). При этом основание треугольника-сечения будет укорачиваться, а его боковые стороны сближаться до того момента, пока не совпадут. Получим плоскость, целиком содержащую образующую и не имеющую с конусом других общих точек. Такая плоскость называется касательной плоскостью конуса.

Теорема 6.

Если плоскость касается конуса по некоторой образующей, то ей перпендикулярна плоскость, проходящая через эту образующую и ось конуса.

Доказательство:

Пусть плоскость касается конуса с осью по образующей (рис. 135). Докажем, что плоскость, содержащая эту образующую и ось , перпендикулярна плоскости .

Проведем прямую , которая перпендикулярна образующей , пересекает ось конуса в точке , отличной от вершины . Через точку проведем плоскость , перпендикулярную оси , она пересечет конус по кругу с центром и плоскость — по прямой , касающейся окружности с центром . Эта касательная по свойству касательной к окружности перпендикулярна радиусу соответствующей окружности. Но этот радиус является проекцией наклонной на плоскость , поэтому по теореме о трех перпендикулярах прямая перпендикулярна наклонной , т. е. прямой .

Таким образом, прямая перпендикулярна прямым и , которые пересекаются и лежат в плоскости , поэтому по признаку перпендикулярности прямой и плоскости прямая перпендикулярна плоскости . Значит, плоскость , содержащая прямую , перпендикулярна плоскости .

Теорема 6 выражает свойство касательной плоскости конуса.

Теорема 7.

Плоскость касается конуса, если она проходит через его образующую и перпендикулярна плоскости, проходящей через эту образующую и ось конуса.

Доказательство:

Пусть плоскость проходит через образующую конуса с осью и перпендикулярна плоскости (рис. 136). Докажем, что плоскость касается конуса, т. е. что точки образующей , и только они, являются общими точками конуса и плоскости .

Точки образующей принадлежат и конусу, и плоскости . Пусть — какая-либо точка плоскости вне образующей . Через эту точку проведем плоскость , перпендикулярную оси , она пересекает поверхность конуса по окружности с центром , образующую — в некоторой точке и плоскость — по прямой . Пусть — прямая, которая перпендикулярна плоскости и пересекает ось в точке . Тогда по теореме о трех перпендикулярах прямая , проведенная в плоскости через основание наклонной перпендикулярно к ней, перпендикулярна ее проекции . Значит, — касательная к окружности , и поэтому точка находится вне окружности , а значит, и вне конуса.

Теорема 7 выражает признак касательной плоскости конуса.

Пусть есть конус с вершиной (рис. 137). Впишем в основание конуса многоугольник и через его вершины проведем образующие . В результате получим тело , являющееся пирамидой. Ее называют пирамидой, вписанной в конус, а сам конус — конусом, описанным около пирамиды.

Если основание конуса вписано в основание пирамиды, а боковая поверхность конуса касается боковых граней пирамиды, то говорят, что пирамида описана около конуса, или конус вписан в пирамиду (рис. 138).

Теорема 8.

Объем конуса равен третьей доле произведения площади Рис. 139 т его основания и высоты:

Доказательство:

Пусть есть конус с осью (рис. 139). В него впишем правильную пирамиду , а около него опишем правильную пи-рамиду . В соответствии с теоремой 4 объем первой пирамиды равен третьей доле произведения площади многоугольника и высоты пирамиды, т. е. высоты конуса, а объем второй — произведению площади многоугольника и той же высоты. Объем самого конуса заключен между этими числами.

Будем увеличивать количество сторон оснований пирамид. Тогда объем первой пирамиды будет увеличиваться, объем второй — уменьшаться, причем их разность стремится к нулю, если значение переменной неограниченно увеличивается. То число, к которому приближаются объемы обеих пирамид, принимается за объем конуса.

В описанном процессе высота пирамиды не изменяется, а площади обоих многоугольников — и — стремятся к площади круга, являющегося основанием конуса. Значит, объем конуса равен третьей доле произведения площади основания конуса и его высоты :

Теорема 9.

Если конус пересечь плоскостью, параллельной его основанию, то:

• а) образующая и высота разделяются на пропорциональные части;
• б) площади сечения и основания относятся как квадраты их расстояний от вершины.

Используя рисунок 140, докажите эту теорему самостоятельно.

Секущая плоскость, параллельная основанию конуса, разделяет его на две части (рис. 141). Одна из этих частей также является конусом, а другая — телом, которое называется усеченным конусом.

Основание данного конуса и круг, полученный в сечении, называют основаниями усеченного конуса, а отрезок образующей данного конуса, заключенный между его основанием и секущей плоскостью, — образующей усеченного конуса (рис. 142). Высотой усеченного конуса называется перпендикуляр, проведенный из какой-либо точки одного его основания к плоскости другого основания.

Усеченный конус можно получить вращением прямоугольной трапеции вокруг боковой стороны, к которой прилежат прямые углы (рис. 143).

Пример:

Найдем боковую поверхность усеченного конуса. Пусть есть усеченный конус, у которого радиусы оснований и равны и соответственно, а образующая равна (рис. 144).

Достроим его до полного конуса. Достроенная часть представляет собой конус, у которого радиус основания равен . Пусть образующая достроенного конуса равна .

Боковую поверхность усеченного конуса можно получить как разность боковых поверхностей и полного и достроенного конусов. Пусть и — длины окружностей нижнего и верхнего оснований усеченного конуса.

Тогда:

Найдем , учитывая подобие треугольников и :

Значит,

Таким образом, боковая поверхность усеченного конуса равна произведению полусуммы длин окружностей его оснований и образующей.

Пример:

Используя рисунок 144, можно, как и для усеченной пирамиды (см. параграф 9), доказать, что объем усеченного конуса равен третьей доле произведения высоты конуса и суммы площадей и оснований конуса и их среднего геометрического :

Развертка конуса. Построение развертки конуса.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

Расчет развертки трубы при гибке. Длина развертки. Формула расчета развертки трубы.

Развертка уголка гнутого. Посчитать развертку уголка.

Правильная пирамида развертка.

Развертка цилиндра эллиптического, усеченного наклонной плоскостью.

Построение развертки наклонного эллиптического цилиндра с круговыми основаниями.

Развертка усеченного цилиндра. Построение развертки цилиндра.

Правильная пятиугольная пирамида. Развертка усеченной пирамиды.

Развертка призмы. Развертка поверхности призмы.

Построение развертки цилиндра. Развертка усеченного цилиндра. Формула развертки цилиндра.

Развертка наклонного усеченного цилиндра. Наклонный цилиндр развертка.