Как найти объем наклонной призмы шестиугольной

Рассмотрением свойств и особенностей правильных фигур в трехмерном пространстве занимается стереометрия. Одним из многочисленных классов объемных фигур являются призмы. В данной статье приведем формулу объема призмы шестиугольной и покажем, как ее следует использовать при решении задачи.

Что такое шестиугольная призма?

Коротко отвечая на поставленный вопрос, следует сказать, что любая призма, имеющая в основании плоский многоугольник с шестью углами и шестью сторонами, называется шестиугольной. Этот многоугольник называется основанием фигуры. Рисунок ниже показывает, как выглядит такая призма.

Видно, что фигура образована двумя одинаковыми шестиугольными основаниями, которые расположены в параллельных плоскостях. Соединены они с помощью шести параллелограммов. Призма имеет 8 граней, 18 ребер и 12 вершин.

Если все параллелограммы, которые образуют боковую поверхность, представляют собой прямоугольники или квадраты, то фигура будет прямой. У прямой призмы расстояние между основаниями (высота) совпадает с длиной бокового ребра. Если основания прямой фигуры являются равносторонними и равноугольными, то можно говорить о правильной шестиугольной призме.

Определение объема

Теперь ответим на вопрос, как найти объем призмы шестиугольной. Формула для объем произвольной призмы имеет следующий вид:

V = S_o*h

Где S_o — площадь основания, h — высота фигуры. Если мы имеем правильную призму с шестиугольником в основании, то его площадь рассчитать можно, пользуясь следующим выражением:

S_o = 3*√3/2*a²

Где латинской буквой a обозначена длина ребра основания. Это выражение можно получить самостоятельно, если разделить правильный шестиугольник на шесть одинаковых равносторонних треугольников, а затем сложить их площади. Длины сторон треугольников при таком делении будут равны a.

Учитывая выражение для S_o, можно привести формулу объема призмы шестиугольной правильной. Она будет иметь такой вид:

V = 3*√3/2*a²*h

Выражение показывает, что для определения величины V правильной призмы достаточно знать всего два ее линейных размера.

Если в основании прямой фигуры будет находиться неправильный шестиугольник, тогда следует применить геометрический анализ, чтобы определить его площадь S_o.

Самым сложным случаем определения объема шестиугольной призмы является ситуация с наклонной фигурой. Для нее высота уже не равна длине бокового ребра. Чтобы ее вычислить, следует знать какой-либо вертикальный угол (либо между основанием и боковой гранью, либо между ребрами боковым и основания).

Пример задачи

Дана правильная призма шестиугольная. Известно, что ее самая длинная объемная диагональ составляет 25 см. Угол между ней и плоскостью основания составляет 30^o. Чему равен объем геометрической фигуры?

Чтобы воспользоваться полученной выше формулой объема призмы шестиугольной, следует вычислить параметры a и h. Самая длинная объемная диагональ соединяет противоположные вершины разных оснований. Знание ее длины и угла между ней и основанием позволяет вычислить высоту и длину ребра шестиугольника с помощью следующих формул:

a = 25*cos(30^o)/2 = 10,825 см;

h = 25*sin(30^o) = 12,5 см

Теперь можно вычислить V:

V = 3*√3/2*a²*h = 3*√3/2*10,825²*12,5 = 3805,55 см³

Таким образом, искомый объем равен приблизительно 3,8 литра.

Изучением призм занимается пространственная геометрия. Важными их характеристиками являются заключенный в них объем, площадь поверхности и число составляющих элементов. В статье рассмотрим все эти свойства для шестиугольной призмы.

О какой призме пойдет речь?

Призма шестиугольная — это фигура, образованная двумя многоугольниками, имеющими шесть сторон и шесть углов, и шестью параллелограммами, соединяющими отмеченные шестиугольники в единое геометрическое образование.

На рисунке изображен пример этой призмы.

Отмеченный красным цветом шестиугольник называется основанием фигуры. Очевидно, что число ее оснований равно двум, причем оба они идентичны. Желто-зеленоватые грани призмы называются ее боковыми сторонами. На рисунке они представлены квадратами, но в общем случае они являются параллелограммами.

Шестиугольная призма может быть наклонной и прямой. В первом случае углы между основанием и боковыми сторонами не являются прямыми, во втором они равны 90^o. Также эта призма может быть правильной и неправильной. Правильная шестиугольная призма обязательно должна быть прямой и иметь правильный шестиугольник в основании. Приведенная выше призма на рисунке этим требованиям удовлетворяет, поэтому она называется правильной. Далее в статье будем изучать только ее свойства, как общий случай.

Элементы

Для любой призмы главными ее элементами являются ребра, грани и вершины. Шестиугольная призма не является исключением. Приведенный выше рисунок позволяет посчитать количество этих элементов. Так, граней или сторон мы получаем 8 (два основания и шесть боковых параллелограммов), число вершин составляет 12 (по 6 вершин для каждого основания), количество ребер шестиугольной призмы равно 18 (шесть боковых и 12 для оснований).

В 1750-е годы Леонард Эйлер (швейцарский математик) установил для всех полиэдров, к которым относится призма, математическую связь между числами указанных элементов. Эта связь имеет вид:

число ребер = число граней + число вершин — 2.

Указанные выше цифры удовлетворяют этой формуле.

Диагонали призмы

Все диагонали шестиугольной призмы можно разделить на два типа:

• те, которые лежат в плоскостях ее граней;
• те, которые принадлежат всему объему фигуры.

Рисунок ниже показывает все эти диагонали.

Видно, что D₁ — это диагональ боковой стороны, D₂ и D₃ — диагонали всей призмы, D₄ и D₅ — диагонали основания.

Длины диагоналей боковых сторон между собой равны. Вычислить их легко, используя всем известную теорему Пифагора. Обозначим символом a длину стороны шестиугольника, символом b — длину бокового ребра. Тогда диагональ имеет длину:

D₁ = √(a² + b²).

Диагональ D₄ также легко определяется. Если вспомнить, что правильный шестиугольник вписывается в окружность радиусом a, то D₄ является диаметром этой окружности, то есть получим следующую формулу:

D₄ = 2*a.

Диагональ D₅ основания найти несколько сложнее. Для этого следует рассмотреть равносторонний треугольник ABC (см. рис.). Для него AB = BC = a, угол ABC равен 120^o. Если из этого угла опустить высоту (она же будет биссектрисой и медианой), тогда половина основания AC будет равно:

AC/2 = AB*sin(60^o) = a*√3/2.

Сторона AC является диагональю D₅, поэтому получаем:

D₅ = AC = √3*a.

Теперь остается найти диагонали D₂ и D₃ правильной шестиугольной призмы. Для этого нужно увидеть, что они являются гипотенузами соответствующих прямоугольных треугольников. Воспользовавшись теоремой Пифагора, получаем:

D₂ = √(D₄² + b²) = √(4*a² + b²);

D₃ = √(D₅²+ b²) = √(3*a²+ b²).

Таким образом, самой большой диагональю для любых значений a и b является D₂.

Площадь поверхности

Чтобы понять, о чем идет речь, проще всего рассмотреть развертку этой призмы. Она показана на рисунке.

Видно, что для определения площади всех сторон рассматриваемой фигуры необходимо рассчитать отдельно площадь четырехугольника и площадь шестиугольника, затем умножить их на соответствующие целые числа, равные количеству каждого n-угольника в призме, и сложить полученные результаты. Шестиугольников 2, прямоугольников 6.

Для площади прямоугольника получаем:

S₁ = a*b.

Тогда площадь боковой поверхности равна:

S₂ = 6*a*b.

Для определения площади шестиугольника проще всего воспользоваться соответствующей формулой, которая имеет вид:

S_n = n/4*a²*ctg(pi/n).

Подставляя в это выражение число n равное 6, получаем площадь одного шестиугольника:

S₆ = 6/4*a²*ctg(pi/6) = 3*√3/2*a².

Это выражение следует умножить на два, чтобы получить площадь оснований призмы:

S_os = 3*√3*a².

Остается сложить S_os и S₂, чтобы получить полную площадь поверхности фигуры:

S = S_os + S₂ = 3*√3*a² + 6*a*b = 3*a*(√3*a + 2*b).

Объем призмы

После того как была получена формула для площади шестиугольного основания, вычислить объем, заключенный в рассматриваемую призму, проще простого. Для этого следует лишь умножить площадь одного основания (шестиугольника) на высоту фигуры, длина которой равна длине бокового ребра. Получаем формулу:

V = S₆*b = 3*√3/2*a²*b.

Отметим, что произведение основания на высоту дает значение объема абсолютно любой призмы, включая наклонную. Однако в последнем случае расчет высоты осложняется, поскольку она уже не будет равна длине бокового ребра. Что касается шестиугольной правильной призмы, то значение ее объема является функцией двух переменных: сторон a и b.

Напомним,
что призмой называется многогранник, у которого две грани – равные -угольники,
лежащие в параллельных плоскостях (эти грани называются основаниями
призмы), а остальные  граней
– параллелограммы.

Эти
параллелограммы называются боковыми гранями, а их стороны, не лежащие на
основаниях призмы, называются боковыми рёбрами призмы.

Боковые
рёбра призмы параллельны и равны.

Высотой
призмы называется расстояние между основаниями.

Площадью
боковой поверхности призмы называется сумма площадей её
боковых граней.

Площадью
полной поверхности призмы – сумма площадей её боковых граней
и двух площадей оснований.

Объём
призмы равен произведению площади основания на высоту.

Призма,
в зависимости от того, какой многоугольник лежит в основании, имеет своё
название.

Рассмотрим
наклонную призму. Здесь основания – равные многоугольники,
лежащие в параллельных плоскостях. Боковые грани – параллелограммы. Высота
призмы – перпендикуляр, опущенный из любой точки верхнего основания на
плоскость нижнего. Боковые рёбра призмы равны и параллельны. Диагональ
призмы соединяет две вершины, не лежащие в одной грани. Диагональное сечение
проходит через два боковых ребра, не лежащих в одной грани, и является
параллелограммом. Площадь боковой поверхности призмы равна сумме
площадей боковых граней. Площадь полной поверхности равна сумме площади
боковой поверхности и двух площадей оснований.

Рассмотрим
прямую призму. Здесь боковые рёбра перпендикулярны основаниям. Боковые
грани – прямоугольники. Высота равна боковому ребру. Площадь
боковой поверхности прямой призмы равна произведению периметра основания на
высоту (на боковое ребро).

И
рассмотрим ещё правильную призму. Здесь в основании лежит
правильный многоугольник. Боковые рёбра перпендикулярны основанию. Боковые
грани – равные прямоугольники.

Основные
моменты мы с вами повторили, а теперь давайте перейдём к практической части
занятия.

Задача
первая. В основании прямой четырёхугольной призмы лежит
четырёхугольник со сторонами  см,
 см,
 см
и  см.
Высота призмы равна  см.
Найдите площадь боковой поверхности призмы.

Решение.

Задача
вторая. Дана шестиугольная наклонная призма с боковым ребром
 см.
Периметр сечения призмы плоскостью, перпендикулярной боковому ребру, равен  см.
Найдите площадь боковой поверхности призмы.

Решение.

Задача
третья. Дана прямая пятиугольная призма, в основание которой
вписана окружность с радиусом  см.
Площадь основания призмы равна  см²,
боковое ребро призмы равно  см.
Найдите площадь боковой поверхности призмы.

Решение.

Задача
четвёртая. Дана прямая четырёхугольная призма  В
основании призмы лежит прямоугольная трапеция с основаниями  см,
 см
и ,
в которую можно вписать окружность. Диагональное сечение   призмы
является квадратом. Найдите площадь полной поверхности призмы.

Решение.

Задача
пятая. Диагональ правильной четырёхугольной призмы равна ,
диагональ боковой грани равна .
Найдите площадь полной поверхности призмы.

Решение.

Задача
шестая. Площадь боковой поверхности правильной
четырёхугольной призмы равна  см².
Диагональ боковой грани равна  см.
Найдите наибольший возможный объём призмы, задаваемой этими условиями.

Решение.