ЕГЭ №3 и №15: сечение шара, касательная плоскость, площадь сферы
Дальше
Объём параллелепипеда, призмы и цилиндра
Тела вращения · урок 3
Сфера и шар
Сечения, касательная плоскость, площадь сферы
Сфера и шар
Сфера — поверхность из всех точек пространства, находящихся на данном расстоянии R (радиус) от данной точки O (центр).
Радиус — также любой отрезок от центра до точки сферы; отрезок через центр с концами на сфере — диаметр, он равен 2R.
Сфера получается вращением полуокружности вокруг её диаметра.
Шар — тело, ограниченное сферой: все точки на расстоянии не больше R от центра.
Сфера и плоскость
r=R2−d2
d — расстояние от центра до плоскости, OA⊥α.
d<R: для общей точки M△OAM прямоугольный: AM=R2−d2. Сечение сферы — окружность радиуса r=R2−d2 с центром A, сечение шара — круг. При d=0 — большой круг радиуса R.
d=R: точка A на сфере, все остальные точки плоскости дальше (наклонная больше перпендикуляра) — одна общая точка.
d>R: общих точек нет.
Касательная плоскость
Плоскость, имеющая со сферой одну общую точку, — касательная, точка — точка касания.
Теорема. Радиус, проведённый в точку касания, перпендикулярен касательной плоскости. Доказательство: иначе OA — наклонная, расстояние до плоскости меньше R и сфера пересекает плоскость по окружности.
Обратная теорема. Если радиус перпендикулярен плоскости, проходящей через его конец на сфере, плоскость касательная: расстояние от центра равно R.
Касательная прямая — одна общая точка со сферой; радиус в точку касания ей перпендикулярен. Отрезки касательных из одной точки равны.
Площадь сферы
S=4πR2
Сферу нельзя развернуть на плоскость — площадь определяют иначе. Многогранник описан около сферы, если сфера касается всех его граней.
Берут описанные многогранники с неограниченно растущим числом граней, у которых наибольший размер грани стремится к нулю; площадь сферы — предел площадей их поверхностей.
Этот предел равен 4πR2 (выводится в главе об объёмах): площадь сферы в 4 раза больше площади большого круга.
Площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса: радиус в k раз больше — площадь в k2 раз больше.
Атанасян, № 373, 375Пример 1
а) Концы отрезка AB=40 см лежат на сфере радиуса 50 см, M — середина AB. Найдите OM. б) Шар радиуса 41 дм пересечён плоскостью на расстоянии 9 дм от центра. Найдите площадь сечения.
а) △OAB равнобедренный, медиана OM⊥AB: OM=502−202=2100=1021 см.
б) r2=412−92=1681−81=1600, S=πr2=1600π дм2.
Ответ: а) 1021 см; б) 1600π дм2
Атанасян, № 376, 378Пример 2
а) Вершины треугольника со сторонами 6, 8, 10 см лежат на сфере радиуса 13 см. Найдите расстояние от центра сферы до плоскости треугольника. б) Стороны треугольника 10,10,12 см касаются сферы радиуса 5 см. Найдите расстояние от центра до плоскости треугольника.
а) Сечение сферы плоскостью треугольника — описанная окружность. Треугольник прямоугольный (36+64=100), r=5. d=169−25=12 см.
б) Точки касания со сторонами лежат на окружности сечения, и она касается сторон — это вписанная окружность. S=21⋅12⋅8=48, p=16, r=pS=3.
d=25−9=4 см.
Ответ: а) 12 см; б) 4 см
ЕГЭ, задание 3Пример 3
Площадь большого круга шара равна 3. Найдите площадь поверхности шара.
Большой круг — сечение через центр, его площадь πR2=3.
S=4πR2=4⋅3=12.
Ответ: 12
ЕГЭ, задание 3Пример 4
Радиусы двух шаров равны 6 и 8. Найдите радиус шара, площадь поверхности которого равна сумме площадей поверхностей двух данных шаров.
4πR2=4π⋅62+4π⋅82, то есть R2=36+64=100.
R=10.
Ответ: 10
Главное
Сфера — точки на расстоянии R от центра; шар — на расстоянии не больше R.
Сечение плоскостью на расстоянии d<R — окружность радиуса R2−d2; d=R — касание; d>R — общих точек нет.
Радиус в точку касания перпендикулярен касательной плоскости.