кРепетито · методичка · 10–11 класс · ЕГЭ
Стереометрия: объёмы и площади поверхностей
Призма, параллелепипед, пирамида, цилиндр, конус, шар: формулы объёмов и площадей и как меняется объём при изменении размеров.
Стереометрия в ЕГЭ — это задание №3 (вычислить объём или площадь, часто по отношению размеров) и задача №14 с развёрнутым решением. Для первой нужно уверенно знать формулы и понимать, как объём зависит от линейных размеров.
Многогранники
Объёмы и площади многогранников
| Тело | Объём | Площадь поверхности |
|---|---|---|
| куб с ребром $a$ | $a^3$ | $6a^2$ |
| прямоугольный параллелепипед | $abc$ | $2(ab + bc + ac)$ |
| прямая призма | $S_{\text{осн}} \cdot h$ | $2S_{\text{осн}} + P_{\text{осн}} \cdot h$ |
| пирамида | $\frac{1}{3} S_{\text{осн}} \cdot h$ | $S_{\text{осн}} + S_{\text{бок}}$ |
| правильная пирамида | $\frac{1}{3} S_{\text{осн}} \cdot h$ | $S_{\text{бок}} = \frac{1}{2} P_{\text{осн}} \cdot l$ ($l$ — апофема) |
Диагональ прямоугольного параллелепипеда: $d^2 = a^2 + b^2 + c^2$.
Тела вращения
Объёмы и площади тел вращения
| Тело | Объём | Площадь |
|---|---|---|
| цилиндр | $\pi R^2 h$ | боковая $2\pi R h$, полная $2\pi R(R + h)$ |
| конус | $\frac{1}{3}\pi R^2 h$ | боковая $\pi R l$, полная $\pi R(R + l)$ |
| шар (сфера) | $\frac{4}{3}\pi R^3$ | $4\pi R^2$ |
У конуса образующая $l = \sqrt{R^2 + h^2}$.
Как меняется объём при изменении размеров
Если все линейные размеры тела увеличить в $k$ раз, площадь поверхности увеличится в $k^2$ раз, а объём — в $k^3$ раз.
Если меняется только один размер, смотрим на формулу: у цилиндра $V = \pi R^2 h$, поэтому увеличение радиуса в 2 раза даёт рост объёма в 4 раза, а увеличение высоты в 2 раза — в 2 раза.
Пример 1.
Объём куба равен 64. Найдите площадь его поверхности.
Решение. $a = \sqrt[3]{64} = 4$, $S = 6 \cdot 16 = 96$.
Ответ: 96.
Пример 2.
Радиус основания цилиндра увеличили в 3 раза, а высоту уменьшили в 2 раза. Во сколько раз увеличился объём?
Решение. $V' = \pi (3R)^2 \cdot \frac{h}{2} = \frac{9}{2} \pi R^2 h$. Объём увеличился в 4,5 раза.
Ответ: в 4,5 раза.
Пример 3.
Конус и цилиндр имеют общее основание и равные высоты. Объём цилиндра 27. Найдите объём конуса.
Решение. Объём конуса втрое меньше: $27 : 3 = 9$.
Ответ: 9.
Пример 4.
В правильной четырёхугольной пирамиде сторона основания 6, высота 4. Найдите площадь боковой поверхности.
Решение. Апофема — гипотенуза треугольника с катетами $h = 4$ и половиной стороны основания $3$: $l = 5$. $S_{\text{бок}} = \frac{1}{2} \cdot 24 \cdot 5 = 60$.
Ответ: 60.
Пример 5.
Вода в цилиндрическом сосуде стоит на уровне 48 см. Её перелили в сосуд вдвое большего диаметра. На какой высоте окажется вода?
Решение. Площадь основания выросла в $2^2 = 4$ раза, объём тот же, значит высота уменьшилась в 4 раза: 12 см.
Ответ: 12 см.
Пример 6.
Площадь поверхности шара 36π. Найдите его объём, делённый на π.
Решение. $4\pi R^2 = 36\pi$, $R = 3$. $V = \frac{4}{3}\pi \cdot 27 = 36\pi$. Ответ 36.
Ответ: 36.
Составные многогранники
Объём фигуры, составленной из параллелепипедов, считают по частям: либо складывают объёмы частей, либо из объёма «объемлющего» параллелепипеда вычитают вырезанные части. Площадь поверхности составного тела удобно считать по проекциям: сколько квадратов видно спереди, сверху, сбоку — и удвоить (если нет «невидимых» уступов).
Ещё разборы
Пример 7 (составной многогранник).
Из куба с ребром 4 вырезали прямоугольный параллелепипед $2 \times 2 \times 4$, проходящий насквозь. Найдите объём оставшейся части.
Решение. $V = 4^3 - 2 \cdot 2 \cdot 4 = 64 - 16 = 48$.
Ответ: 48.
Пример 8 (шар, вписанный в цилиндр).
Шар вписан в цилиндр (касается оснований и боковой поверхности). Объём цилиндра 30. Найдите объём шара.
Решение. У цилиндра $h = 2R$: $V_{\text{ц}} = \pi R^2 \cdot 2R = 2\pi R^3 = 30$, $\pi R^3 = 15$. $V_{\text{ш}} = \frac{4}{3}\pi R^3 = \frac{4}{3} \cdot 15 = 20$.
Ответ: 20.
Пример 9 (отсечённая пирамида).
Объём треугольной пирамиды 48. Через середины трёх боковых рёбер проведена плоскость. Найдите объём отсечённой меньшей пирамиды.
Решение. Меньшая пирамида подобна исходной с коэффициентом $\frac{1}{2}$, объёмы относятся как $k^3 = \frac{1}{8}$: $48 : 8 = 6$.
Ответ: 6.
Коротко о главном
- Призма и цилиндр: $V = S_{\text{осн}} h$; пирамида и конус: $V = \frac{1}{3} S_{\text{осн}} h$; шар $\frac{4}{3}\pi R^3$.
- При увеличении размеров в $k$ раз площади растут в $k^2$, объёмы — в $k^3$ раз.
- Длины внутри тел ищем теоремой Пифагора в удобном сечении.
- Составные тела — сложение или вычитание частей.
Частый вопрос
Как найти площадь поверхности составного тела из кубиков? Посмотрите на тело с шести сторон (спереди, сзади, слева, справа, сверху, снизу) и сложите видимые площади. Если в теле нет «ниш», противоположные виды одинаковы, и достаточно удвоить сумму трёх. Внутренние грани, по которым кубики склеены, в поверхность не входят.
- Забывать $\frac{1}{3}$ в объёме пирамиды и конуса.
- Путать высоту пирамиды и апофему.
- Считать, что при удвоении диаметра объём удваивается.
- Подставлять диаметр вместо радиуса.
Задачи для самопроверки
- Измерения параллелепипеда 2, 3, 6. Найдите диагональ.
Ответ
$\sqrt{4 + 9 + 36} = 7$.
- Ребро куба увеличили в 2 раза. Во сколько раз увеличилась площадь поверхности?
Ответ
В 4 раза.
- Радиус основания конуса 3, высота 4. Найдите площадь боковой поверхности, делённую на π.
Ответ
$l = 5$, $\pi \cdot 3 \cdot 5 = 15\pi$, ответ 15.
- Объём пирамиды 40, площадь основания 15. Найдите высоту.
Ответ
$h = \frac{3 \cdot 40}{15} = 8$.
- Радиус шара увеличили в 2 раза. Во сколько раз увеличился объём?
Ответ
В 8 раз.
- Основание прямой призмы — прямоугольный треугольник с катетами 3 и 4, высота призмы 10. Найдите объём и площадь боковой поверхности.
Ответ
$V = 6 \cdot 10 = 60$; $S_{\text{бок}} = (3 + 4 + 5) \cdot 10 = 120$.
Задачи по теме на сайте
- Математика 11 класс → №3 · Объёмы тел → Объёмы многогранников и тел вращения — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-11-klass/matematika-11-klass-razdel-3/matematika-11-klass-razdel-3-obemy-mnogogrannikov-i-tel-vrascheniya/
- Математика (профиль) → №3 · Стереометрия → Объёмы и подобие тел — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-3/zadanie-3-obemy-i-podobie-tel/
- ЕГЭ база → №13 · Стереометрия → Объём и уровень жидкости — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/ege-baza/ege-baza-zadanie-13/ege-baza-zadanie-13-obem-i-uroven-zhidkosti/
- Математика 11 класс → №3 · Объёмы тел — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-11-klass/matematika-11-klass-razdel-3/
- Математика (профиль) → №3 · Стереометрия — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-3/
- ЕГЭ база → №13 · Стереометрия — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/ege-baza/ege-baza-zadanie-13/