Как найти плоскость сечения куба

Задачи на построение сечений куба плоскостью, как правило, проще чем, например, задачи на сечения пирамиды.

Провести прямую можем через две точки, если они лежат в одной плоскости. При построении сечений куба возможен еще один вариант построения следа секущей плоскости. Поскольку две параллельные плоскости третья плоскость пересекает по параллельным прямым, то, если в одной из граней уже построена прямая, а в другой есть точка, через которую проходит сечение, то можем провести через эту точку прямую, параллельную данной.

Рассмотрим на конкретных примерах, как построить сечения куба плоскостью.

1) Построить сечение куба плоскостью, проходящей через точки A, C и M.

сечение куба

Задачи такого вида — самые простые из всех задач на построение сечений куба. Поскольку точки A и C лежат в одной плоскости (ABC), то через них можем провести прямую. Ее след — отрезок AC. Он невидим, поэтому изображаем AC штрихом. Аналогично соединяем точки M и C, лежащие в одной плоскости (CDD1), и точки A и M, которые лежат в одной плоскости (ADD1). Треугольник ACM — искомое сечение.

построить сечение куба плоскостью

2) Построить сечение куба плоскостью, проходящей через точки M, N, P.

Здесь только точки M и N лежат в одной плоскости (ADD1), поэтому проводим через них прямую и получаем след MN (невидимый). Поскольку противолежащие грани куба лежат в параллельных плоскостях, то секущая плоскость пересекает параллельные плоскости (ADD1) и (BCC1) по параллельным прямым. Одну из параллельных прямых мы уже построили — это MN.

сечение кубаЧерез точку P проводим прямую, параллельную MN. Она пересекает ребро BB1 в точке S. PS — след секущей плоскости в грани (BCC1).

Проводим прямую через точки M и S, лежащие в одной плоскости (ABB1). Получили след MS (видимый).

Плоскости (ABB1) и (CDD1) параллельны. В плоскости (ABB1) уже есть прямая MS, поэтому через точку N в плоскости (CDD1) проводим прямую, параллельную MS. Эта прямая пересекает ребро D1C1 в точке L. Ее след — NL (невидимый). Точки P и L лежат в одной плоскости (A1B1C1), поэтому проводим через них прямую.

Пятиугольник MNLPS — искомое сечение.

3) Построить сечение куба плоскостью, проходящей через точки M, N, P.

построить сечение куба плоскостью

Точки M и N лежат в одной плоскости (ВСС1), поэтому через них можно провести прямую. Получаем след MN (видимый). Плоскость (BCC1) параллельна плоскости (ADD1),поэтому через точку P, лежащую в (ADD1), проводим прямую, параллельную MN. Она пересекает ребро AD в точке E. Получили след PE (невидимый).

построение сечений

Больше нет точек, лежащей в одной плоскости, или прямой и точки в параллельных плоскостях. Поэтому надо продолжить одну из уже имеющихся прямых, чтобы получить дополнительную точку.

Если продолжать прямую MN, то, поскольку она лежит в плоскости (BCC1), нужно искать точку пересечения MN с одной из прямых этой плоскости. С CC1 и B1C1 точки пересечения уже есть — это M и N. Остаются прямые BC и BB1. Продолжим BC и MN до пересечения в точке K. Точка K лежит на прямой BC, значит, она принадлежит плоскости (ABC), поэтому через нее и точку E, лежащую в этой плоскости, можем провести прямую. Она пересекает ребро CD в точке H. EH -ее след (невидимый). Поскольку H и N лежат в одной плоскости (CDD1), через них можно провести прямую. Получаем след HN (невидимый).

Плоскости (ABC) и (A1B1C1) параллельны. В одной из них есть прямая EH, в другой — точка M. Можем провести через M прямую, параллельную EH. Получаем след MF (видимый). Проводим прямую через точки M и F.

Шестиугольник MNHEPF — искомое сечение.

построение сечения куба

Если бы мы продолжили прямую MN до пересечения с другой прямой плоскости (BCC1), с BB1, то получили бы точку G, принадлежащую плоскости (ABB1). А значит, через G и P можно провести прямую, след которой PF. Далее — проводим прямые через точки, лежащие в параллельных плоскостях, и приходим к тому же результату.

Работа с прямой PE дает то же сечение MNHEPF.

4) Построить сечение куба плоскостью, проходящей через точку M, N, P.

построить сечение кубаЗдесь можем провести прямую через точки M и N, лежащие в одной плоскости (A1B1C1). Ее след — MN (видимый). Больше нет точек, лежащих в одной плоскости либо в параллельных плоскостях.

сечение кубаПродолжим прямую MN. Она лежит в плоскости (A1B1C1), поэтому пересечься может только с одной из прямых этой плоскости. С A1D1 и C1D1 точки пересечения уже есть — N и M. Еще две прямые этой плоскости — A1B1 и B1C1. Точка пересечения A1B1 и MN — S. Поскольку она лежит на прямой A1B1, то принадлежит плоскости ( ABB1), а значит, через нее и точку P, лежащую в этой же плоскости, можно провести прямую. Прямая PS пересекает ребро AA1 в точке E. PE — ее след (видимый). Через точки N и E, лежащие в одной плоскости (ADD1), можно провести прямую, след которой — NE (невидимый). В плоскости (ADD1) есть прямая NE, в параллельной ей плоскости (BCC1) — точка P. Через точку P можем провести прямую PL, параллельную NE. Она пересекает ребро CC1 в точке L. PL — след этой прямой (видимый). Точки M и L лежат в одной плоскости (CDD1), значит, через них можно провести прямую. Ее след — ML (невидимый). Пятиугольник MLPEN — искомое сечение.

построить сечение кубаМожно было продолжать прямую NM в обе стороны и искать ее точки пересечения не только с прямой A1B1, но и с прямой B1C1, также лежащей в плоскости (A1B1C1). В этом случае через точку P проводим сразу две прямые: одну — в плоскости (ABB1) через точки P и S, а вторую — в плоскости (BCC1), через точки P и R. После чего остается соединить лежащие в одной плоскости точки: M c L, E — с N.

Общеобразовательная школа І-ІІІ ступеней
№2

отдела образования администрации города Кировское

«Сечение куба плоскостью

 и практическое их применение
в задачах».

Подготовила учитель математики

учитель-методист

Чумакова Г.В.

2015 г.

Введение:

Задачи
на построение сечений многогранников занимают значительное место как школьном
курсе геометрии для старших классов, так и на экзаменах разного уровня. Решение
этого вида задач способствует усвоению аксиом стереометрии, систематизации
знаний и умений, развитию пространственного представления и конструктивных
навыков. Общеизвестны трудности, возникающие при решении задач на построение
сечений.

Основными
действиями, составляющими метод построения сечений, являются нахождение точки
пересечения прямой с плоскостью, построение линий пересечения двух плоскостей,
построение прямой параллельной плоскости, построение прямой перпендикулярной
плоскости.

Проиллюстрирую
построение сечения на одной задаче из школьного курса математики:

№1.
Постройте хотя бы два сечения куба
ABCDA1B1C1D1 плоскостью
АМ1С, если точка М1 движется по отрезку ВВ1 от
В до В1. Найдите границы измерения высоты сечения, проведённой из
точки М1.

Решение:
Построим два требуемых сечения, взяв точку М1 ближе к точке В, а
точку М2 ближе к В1. Оба сечения показаны на рисунке .В
начале движения когда точка М1только отошла от точки В1,
сечение представляет собой треугольник с основанием АС и высотой М1О,
которая чуть больше отрезка ВО, т.е.
 Если точка
М1 займёт положение М2 расположенной очень близко к точке
В1, то
АМ2С
почти совпадёт с
АВ1С,
а его высота М1О – с отрезком В1О, длина которого равна  
 (ОВ1==).

Отсюда по
соображениям непрерывности делаем вывод:

Особо следует посмотреть, что произойдёт, если точка М1
займёт положение вершины В.

        №2.
Построить сечение куба плоскостью, проходящей через три точки А1,
E
и
L, лежащие на рёбрах куба.

 Плоскости
граней
A1ADD1 и DD1C1C  пересекаются
по прямой
DD1, а плоскости
граней 
A1B1C1D1 u DD1C1C – по прямой D1C1. Соединив
точки А и Е , получим прямую пересечения секущей плоскости с плоскостью грани
AA1D1D, а продолжив
её, найдём точку
N, принадлежащую
трём плоскостям: плоскости сечения и плоскостям граней 
AA1D1D u DD1C1C.

Аналогично
найдём точку М, общую трём плоскостям: плоскости сечения и плоскостям граней
A1B1C1D1 u DD1C1C. Таким
образом, точки
N u M принадлежат 
секущей плоскости и плоскости 
DD1C1C; прямая MN – линия
пересечения плоскости  сечения  с плоскостью грани
DD1C1C, а F и K –
точки пересечения  её с рёбрами куба
CD u CC1.
Последовательно соединив прямыми точки
A1, E, F, K u L, получаем
пятиугольник
A!EFKL, который и
даст нам искомое сечение.

При
построении сечения куба плоскостью Х при произвольном расположении точек
в сечении получается: треугольник, трапеция, прямоугольник, пятиугольник или
шестиугольник. Естественно возник вопрос, как вид сечения зависит от вида
расположения точек задающих это сечение

Я решил провести
исследование, цель которого является выяснение.

 Построить сечения куба
плоскостью, когда заданы три точки принадлежащие рёбрам с одной вершиной.

Взяты три точки A1, D, C1, которые
принадлежат вершине
D1, а сами
являются вершинами куба.

В сечении получился равносторонний
треугольник, так как
A1C1, A1D u DC1 – диагонали
граней этого куба.

Три точки: A1 u C1 – вершины
куба, а точка
F принадлежит
ребру куба
DD1. Точки
принадлежат прямым выходящим из вершины
D1.

В сечении получился равнобедренный
треугольник, так как
F равноудалена
от точек
A1 u C1.

Три точки: A1 u C1 – вершины
куба, а точка
F принадлежит
прямой ребра куба
DD1. Точки
принадлежат прямым выходящим из одной вершины
D1.

В сечении получается равнобедренная
трапеция, так как
F равноудалена
от точек
A1 u C1, то есть LA1=KC1.

Три точки принадлежащие рёбрам с одной
вершиной
D1. Точки F u M принадлежат
продолжениям рёбер
D1D u D1C соответственно, а
точка
A1 является
вершиной куба.

В сечении получился пятиугольник A1KLNG.

Взяты три точки F, M u Q так, что лежат на
продолжении рёбер
D1D, D1C1, и D1A1
соответственно.

В сечении получился шестиугольник KLNGJH.

Три точки лежат на рёбрах с одной
вершиной
D1.

В сечении получился произвольный
треугольник, но если точки расположить так чтобы
D1Q=D1M=D1F, то есть если они были
бы равноудалены от вершины
D1 то в сечении получился бы
равносторонний треугольник.

Секущая плоскость задана точками Н, Q и M. В сечении получается
параллелограмм, так как 
KC ││ MP и MK ││ PC по теореме о пересечении двух
параллельных плоскостей третьей.    

Если точки H, Q и M, задают секущую
плоскость, удаленные от
D, на расстоянии
2
a, где а – для
ребра куба, то в сечении получается правильный треугольник
ACB1.

Вывод: три задающих
сечение точки принадлежат трём рёбрам куба с общей вершиной или являются их
продолжением, то в сечении получается: треугольник, пятиугольник, шестиугольник
трапеция, параллелограмм.

 Построение сечения
куба плоскостью, когда заданы три точки, две из которых лежат на смежных
рёбрах, а третья точка лежит на ребре не смежном с ними.

Три точки M, K u F, взяты так что M u F принадлежат рёбрам с одной вершиной A1, а точка K лежит на ребре не
смежным с ними.

В сечении получается
прямоугольник, так как А1М=
D1K и по теореме о трёх перпендикулярах
можно доказать что
MKLF
прямоугольник., а если А1М
D1K, то может получится
трапеция или пятиугольник.

Взяты три точки так, что K u L принадлежат рёбрам
выходящим из одной вершины
A1, а точка N принадлежит ребру CC1, не смежному
сними.
K, L u N середины рёбер A1A, A1B1 u CC1
соответственно.

В сечении получается правильный
шестиугольник
KLGNHM

Взяты три точки так, что K u L принадлежат рёбрам
выходящим из одной вершины
A1, а точка T принадлежит ребру DC.

В сечении получается шестиугольник KLFRTZ.

Три точки взяты так, что K u L принадлежат рёбрам
куба с одной вершины
A1, а точка M ребре DD1.

В сечении получается  трапеция LKQM.

Три точки K u L которые принадлежат рёбрам с одной вершиной A1.и точка R которая лежит на ребре
BC.

В сечении получается пятиугольник KLFRT.

Вывод: Если секущая
плоскость задана тремя точками, две из которых лежат на смежных рёбрах, а
третья на ребре не смежном с ними, то в сечении может получиться прямоугольник,
пятиугольник, шестиугольник, трапеция.

 В сечении куба
параллелограмм и его частные случаи.

Точки T, H, J задающие сечение расположены так, что THAD, HJAD. В сечении получается
квадрат
HTKJ.

Сечение задано точками C, F, L, причём DF=FD1, BL=LB1. В сечении
получается ромб
AFCL.

Сечение задано точками C, G, H. B1H=DG. В сечении
параллелограмм
A1GCH.

Точки задающие сечение являются
вершинами куба
A, D, C1. В сечении
получается прямоугольник

 В
сечении куба правильные многоугольники

Треугольник АВВ1 равносторонний,
так как его стороны это диагонали граней куба.

Треугольник КМТ равносторонний, так как
КВ=МВ=ТВ.

КМТЕ – квадрат, так как сечение задано
точками М, К, Е и МК
AD, EKAD.

В сечении правильный шестиугольник
КМТНЕО, так как точки Н, Е, К задающие сечение являются серединами рёбер СС1,
DC, АА1 соответственно.

 Куб и несколько задач
по стереометрии с ЕГЭ.

В пособии  “ЕГЭ 2005.
Математика. Типовые тестовые задачи” (Корникова Т. А. и др.) Содержит 10 задач
(С4) по  стереометрии, объединенных общей идеей: дана треугольная призма АВСА1В1С1
стороны основания АВ и ВС взаимно перпендикулярны и перпендикулярны ребру ВВ1,
АВ=ВС=ВВ1, вершина А является вершиной конуса (или центром одного из
оснований цилиндра, или центром сферы), основание конуса (сфера или второе
основание цилиндра) проходит через середину одного ребра призмы, длина его
известна. Надо найти объем  или поверхность конуса (сферы, цилиндра).

Общий пример решения:

Данную призму дополнить
до куба. Шестиугольник
DEFKLM – сечение куба
плоскостью основания конуса , окружность которого проходит через середину А1В1,
А – вершина конуса, или

DEFKLM – сечение куба плоскостью основания
цилиндра, окружность которого проходит через середину А1В1,
А – центр второго основания цилиндра, или это сечение куба плоскостью большого
круга сферы с центром А, сфера которого проходит через середину А1В1.

Шестиугольник DEFKLM – сечение куба
плоскостью, проходящей через середину рёбер А1В1, ВВ1,
ВСЖ при построении получаются точки
K, L, M, которые
являются серединами  соответствующих рёбер. Стороны этого шестиугольника
являются гипотенузами треугольников
DB1E, EBF, FCK, KQL, LRM, MA1D, катеты
которых равны половине ребра куба. Тогда центр этого шестиугольника является
центром описанной около него окружности, которая пересекает рёбра куба в точках
D,E, F, K, L и М, радиус
этой окружности , где А1В1=
а.

AO EL, т. к. EAL – равнобедренный: AL=AE.

(ABE u EAL
прямоугольные,
AB=AQ= а, BE=LQ=)

EO=OL как середина
диагонали Е
L шестиугольника
DEFKLM, т. е. АО –
медиана ,а по свойствам равнобедренного треугольника и высота. Аналогично
доказывается АО
DK. Так как АО
перпендикулярна к двум пересекающимся прямым плоскости шестиугольника, то АО
перпендикулярна ко всей плоскости.

Если А –
вершина конуса то АО – его высота, если А – центр второго основания цилиндра,
то АО- высота цилиндра.

АВС:
АС=,
P – точки пресечения
диагоналей основания  куба, АР=, РР1=АА1=
а. ОР=РР1= ,
тогда из прямоугольного
РОА АО=. И так  АО=.

Тогда, если
идёт речь о конусе:

=

 (из ).

Ответ:

               

Если речь идёт
цилиндре:

Ответ:

              

Если речь идёт
о сфере:

Ответ:             

Корникова Т. А.
и др. типовые тестовые задания. ЕГЭ – 2005

Вариант 6.

Задача.  
Даны призма АВСА1В1С1 и цилиндр. Стороны АВ и
ВС основания призмы перпендикулярны ребру ВВ1 и взаимно
перпендикулярны. Центром основания цилиндра служит точка А1
окружность второго основания проходит через середину ребра А1В1.

Найдите площадь
полной поверхности цилиндра, если ВВ1=АВ=ВС=10. Найдите его объём.

Решение:

.   
.

Так как стороны
АВ и ВС основания призмы перпендикулярны ребру  ВВ1 и взаимно
перпендикулярны и АВ=ВС=ВВ1, то призма АВСА1В1С1
– это половина куба с ребром АВ. Окружность второго основания цилиндра проходит
через середину А1В1. Эта окружность пересекает и другие
рёбра куба. И эти точки пересечения окружности второго основания цилиндра и
рёбер куба лежит в одной плоскости (плоскость сечения) и равноудалены от центра
второго основания цилиндра. Плоскость второго основания цилиндра образует в
сечении куба шестиугольник
DEFKLM, все вершины  которого
являются вершинами соответствующих рёбер. Тогда
ED=АР=RЕВ1D, В=900 (по условию), B1E=DB1=, тогда по теореме Пифагора ED=, R=.

Докажем, что АО
перпендикулярно к сечению
DEFKLM,так как является его
высотой цилиндра.

РОА
, Р=900  РА=, РО=.

По теореме
Пифагора ОА= (ОА=
h=).

SPO, P=900  PS= 
SO

    
в  AOS:        AO2=75        
SO2=

                           
AS2=AO2+SO2
AOS
прямоугольный АО
SO.

Ответ:

Корникова Т. А.
и др. типовые тестовые задания. ЕГЭ – 2005

Вариант 10.

Задача.  
Даны призма АВСА1В1С1 и конус. Стороны АВ и ВС
основания перпендикулярны ребру ВВ1 и взаимно перпендикулярны.
Вершина конуса располагается  в точке А, окружность основания  проходит через
середину ребра А1В1.

Найдите площадь
полной поверхности конуса, если ВВ1=АВ=ВС=8. Найдите объём этого
конуса.

Решение:

.       .

Так как по
условию дана прямая призма,  в которой ВВ1=АВ=ВС, то эта призма
является половиной куба. Вершина куба  А является и вершиной конуса, основание
которого пересекает А1В1 в точке
D, следовательно
AD – образующая
конуса
AD=. Сечение куба плоскостью основания конуса
– это правильный шестиугольник
DEFKLM, т.к. АD, AE, AF, AK, AL, AM – это
образующие конуса, вершины
D, E, F, K, L, M – равноудалены
от основания высоты конуса в точке О, являются серединами рёбер куба.
R=ED, EB1D, B1D =B1E=4,
ED=4.

AA1D, A1=900,  AD=.

.   

AC=      (из ОАН, ОН АН,
НО=4, АН=4).

Ответ:

3. Заключение.

В результате проведённого компьютерного
эксперимента в работе было выявлено: что в зависимости от точек задающих
секущую плоскость в сечении куба могут получиться треугольники (произвольный,
равнобедренный и правильный), четырёхугольники (квадрат, прямоугольник,
трапеция, ромб, параллелограмм), пятиугольники и шестиугольники. Особое
выделены правильный треугольник и шестиугольник, рассмотрены свойства этих
многоугольников и задачи с ними связанные располагавшиеся  в одном из пособий
для подготовки к ЕГЭ по математике.

Выполнение работы расширило мои представления
о выполнении построений сечения многогранников плоскостью, дало возможность
более глубоко освоить некоторые компьютерные программы способствующие развитию
конструктивных навыков, которые позволили разобраться в решении задач по
стереометрии, предлагающихся в ЕГЭ по математике.

Метод сечений многогранников в стереометрии
используется в задачах на построение. В его
основе лежит умение строить сечение
многогранника и определять вид сечения.

Данный материал характеризуется следующим
особенностями:

  1. Метод сечений применяется только для
    многогранников, так как различные сложные
    (наклонные) виды сечений тел вращения не входят в
    программу средней школы.
  2. В задачах используются в основном простейшие
    многогранники.
  3. Задачи представлены в основном без числовых
    данных, чтобы создать возможность их
    многовариантного использования.

Чтобы решить задачу построения сечения
многогранника ученик должен знать:

  • что значит построить сечение многогранника
    плоскостью;
  • как могут располагаться относительно друг
    друга многогранник и плоскость;
  • как задается плоскость;
  • когда задача на построение сечения
    многогранника плоскостью считается решенной.

Поскольку плоскость определяется:

  • тремя точками;
  • прямой и точкой;
  • двумя параллельными прямыми;
  • двумя пересекающимися прямыми,

построение плоскости сечения проходит в
зависимости от задания этой плоскости. Поэтому
все способы построения сечений многогранников
можно разделить на методы.

Существует три основных метода построения
сечений многогранников:

  1. Метод следов.
  2. Метод вспомогательных сечений.
  3. Комбинированный метод.

Первые два метода являются разновидностями Аксиоматического
метода
построения сечений.

Можно также выделить следующие методы
построения сечений многогранников:

  • построение сечения многогранника плоскостью,
    проходящей через заданную точку параллельно
    заданной плоскости;
  • построение сечения, проходящего через заданную
    прямую параллельно другой заданной прямой;
  • построение сечения, проходящего через заданную
    точку параллельно двум заданным скрещивающимся
    прямым;
  • построение сечения многогранника плоскостью,
    проходящей через заданную прямую
    перпендикулярно заданной плоскости;
  • построение сечения многогранника плоскостью,
    проходящей через заданную точку перпендикулярно
    заданной прямой.

В федеральный перечень учебников по геометрии
для 10-11 класов входят учебники авторов:

  • Атанасяна Л.С., Бутузова В.Ф., Кадомцева С.Б. и др
    (Геометрия, 10-11);
  • Погорелова А.В. (Геометрия, 7-11);
  • Александрова А.Д., Вернера А.Л., Рыжик В.И.
    (Геометрия, 10-11);
  • Смирновой И.М. (Геометрия, 10-11);
  • Шарыгина И.Ф. (Геометрия, 10-11).

Рассмотрим подробнее учебники Л.С, Атанасяна и
Погорелова А.В.

В учебнике Л.С. Атанасяна на тему “Построение
сечений многогранников” выделено два часа. В 10
классе в теме “Параллельность прямых и
плоскостей” после изучения тетраэдра и
параллелепипеда отводится один час на изложение
параграфа “Задачи на построение сечений”.
Рассматриваются сечения тетраэдра и
параллелепипеда. И тема “Параллельность прямых
и плоскостей” завершается решением задач на
одном или двух часах (всего задач на построение
сечений в учебнике восемь).

В учебнике Погорелова А.В. на построение
сечений отводится около трех часов в главе
“Многогранники”: один – на изучение темы
“Изображение призмы и построение ее сечений”,
второй – на изучение темы “Построение пирамиды
и ее плоских сечений” и третий – на решение
задач. В списке задач, приведенных после темы,
задач на сечение насчитывается всего около
десяти.

Мы предлагаем систему уроков по теме
“Построение сечений многогранников” для
учебника Погорелова А.В.

Материал предлагается расположить в той
последовательности, в какой он может применяться
для обучения учащихся. Из изложения темы
“Многогранники” предлагается исключить
следующие параграфы: “Построение сечений
призмы” и “Построение сечений пирамиды” с тем,
чтобы систематизировать данный материал в конце
этой темы “Многогранники”. Классифицировать
его по тематике задач с примерным соблюдением
принципа “от простого к сложному” можно весьма
условно следующим образом:

  1. Определение сечения многогранников.
  2. Построение сечений призмы, параллелепипеда,
    пирамиды методом следов. (Как правило в школьном
    курсе стереометрии используются задачи на
    построение сечений многогранников, решаемые
    основными методами. Остальные методы, в связи с
    их более высоким уровнем сложности, учитель
    может оставить для рассмотрения на
    факультативных занятиях или на самостоятельное
    изучение. В задачах на построение основными
    методами требуется построить плоскость сечения,
    проходящую через три точки).
  3. Нахождение площади сечений в многогранниках
    (без использования теоремы о площади
    ортогональной проекции многоугольника).
  4. Нахождение площади сечений в многогранниках (с
    применением теоремы о площади ортогональной
    проекции многоугольника).

СТЕРЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ НА
ПОСТРОЕНИЕ СЕЧЕНИЙ МНОГОГРАННИКОВ И МЕТОДИКА ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА УРОКАХ В 10-11 КЛАССАХ.

(система уроков и факультативных
занятий по теме “Построение сечений
многогранников”)

УРОК 1.

Тема урока: “Построение сечений
многогранников”.

Цель урока: ознакомление с методами
построений сечений многогранников.

Этапы урока:


  1. Актуализация опорных знаний.
  2. Постановка задачи.
  3. Изучение нового материала:

А) Определение сечения.

Б) Методы построений сечений:

а) метод следов;

б) метод вспомогательных сечений;

в) комбинированный метод.



  1. Закрепление материала.


Примеры построений сечений методом следов.

  1. Подведение итогов урока.

Тест.

Ход урока.




  1. Актуализация опорных знаний.
  2. Вспомним:
    — пересечение прямой с плоскостью;
    — пересечение плоскостей;
    — свойства параллельных плоскостей.

  3. Постановка задачи.
  4. Вопросы к классу:
    — Что значит построить сечение многогранника
    плоскостью?
    — Как могут располагаться относительно друг
    друга многогранник и плоскость?
    — Как задается плоскость?
    — Когда задача на построение сечения
    многогранника плоскостью считается решенной?

  5. Изучение нового материала.
  6. А) Итак, задача состоит в построении
    пересечения двух фигур: многогранника и
    плоскости ( рис.1). Это могут быть: пустая фигура
    (а), точка (б), отрезок (в), многоугольник (г). Если
    пересечение многогранника и плоскости есть
    многоугольник, то этот многоугольник называется сечением
    многогранника плоскостью.


Рис. 1

Будем рассматривать только случай, когда
плоскость пересекает многогранник по его
внутренности. При этом пересечением данной
плоскости с каждой гранью многогранника будет
некоторый отрезок. Таким образом, задача
считается решенной, если найдены все отрезки, по
которым плоскость пересекает грани
многогранника.

Исследуйте сечения куба (рис.2) и ответьте на
следующие вопросы:

Рис. 2

— какие многоугольники получаются в сечении
куба плоскостью? (Важно число сторон
многоугольника);

[ Предполагаемые ответы: треугольник,
четырехугольник, пятиугольник, шестиугольник.]

— может ли в сечении куба плоскостью получиться
семиугольник? А восьмиугольник и т.д.? Почему?

Давайте рассмотрим призму и ее возможные
сечения плоскостью ( на модели). Какие
многоугольники получаются?

Какой можно сделать вывод? Чему равно
наибольшее число сторон многоугольника,
полученного сечением многогранника с
плоскостью?

[ Наибольшее число сторон многоугольника,
полученного в сечении многогранника плоскостью,
равно числу граней многогранника.]

Б) а) Метод следов заключается в построении
следов секущей плоскости на плоскость каждой
грани многогранника. Построение сечения
многогранника методом следов обычно начинают с
построения так называемого основного следа
секущей плоскости, т.е. следа секущей плоскости
на плоскости основания многогранника.

б) Метод вспомогательных сечений
построения сечений многогранников является в
достаточной мере универсальным. В тех случаях,
когда нужный след (или следы) секущей плоскости
оказывается за пределами чертежа, этот метод
имеет даже определенные преимущества. Вместе с
тем следует иметь ввиду, что построения,
выполняемые при использовании этого метода,
зачастую получаются “скученными”. Тем не менее
в некоторых случаях метод вспомогательных
сечений оказывается наиболее рациональным.

Метод следов и метод вспомогательных сечений
являются разновидностями аксиоматического
метода
построения сечений многогранников
плоскостью.

в) Суть комбинированного метода построения
сечений многогранников состоит в применении
теорем о параллельности прямых и плоскостей в
пространстве в сочетании с аксиоматическим
методом.

А теперь на примере решения задач рассмотрим метод
следов.

4. Закрепление материала.

Задача 1.

Построить сечение призмы ABCDA1B1C1D1
плоскостью, проходящей через точки P, Q, R (точки
указаны на чертеже (рис.3)).

Решение.

Рис. 3


  1. Построим след секущей плоскости на плоскость
    нижнего основания призмы. Рассмотрим грань АА1В1В.
    В этой грани лежат точки сечения P и Q. Проведем
    прямую PQ.
  2. Продолжим прямую PQ, которая принадлежит
    сечению, до пересечения с прямой АВ. Получим
    точку S1, принадлежащую следу.
  3. Аналогично получаем точку S2 пересечением
    прямых QR и BC.
  4. Прямая S1S2 — след секущей плоскости
    на плоскость нижнего основания призмы.
  5. Прямая S1S2 пересекает сторону AD в
    точке U, сторону CD в точке Т. Соединим точки P и U,
    так как они лежат в одной плоскости грани АА1D1D.
    Аналогично получаем TU и RT.
  6. PQRTU – искомое сечение.

Задача 2.

Построить сечение параллелепипеда ABCDA1B1C1D1
плоскостью, проходящей через точки M, N, P (точки
указаны на чертеже (рис.4)).

Решение.

Рис. 4

  1. Точки N и P лежат в плоскости сечения и в
    плоскости нижнего основания параллелепипеда.
    Построим прямую, проодящую через эти точки. Эта
    прямая является следом секущей плоскости на
    плоскость основания параллелепипеда.
  2. Продолжим прямую, на которой лежит сторона AB
    параллелепипеда. Прямые AB и NP пересекутся в
    некоторой точке S. Эта точка принадлежит
    плоскости сечения.
  3. Так как точка M также принадлежит плоскости
    сечения и пересекает прямую АА1 в некоторой
    точке Х.
  4. Точки X и N лежат в одной плоскости грани АА1D1D,
    соединим их и получим прямую XN.
  5. Так как плоскости граней параллелепипеда
    параллельны, то через точку M можно провести
    прямую в грани A1B1C1D1,
    параллельную прямой NP. Эта прямая пересечет
    сторону В1С1 в точке Y.
  6. Аналогично проводим прямую YZ, параллельно
    прямой XN. Соединяем Z с P и получаем искомое
    сечение – MYZPNX.

Задача 3 ( для самостоятельного
решения).

Построить сечение тетраэдра DACB плоскостью,
проходящей через точки M, N, P (точки указаны на
чертеже (рис.5)).

Рис. 5

5. Подведение итогов урока.

Ответьте на вопрос: являются ли закрашенные
фигуры сечениями изображенных многогранников
плоскостью PQR? И выполните правильное построение
(рис. 6).

Вариант 1.

а)

б)

в)

г)

д)

Вариант 2.

УРОК 2.

Тема урока: НАХОЖДЕНИЕ ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ.

Цель урока: познакомить со способами
нахождения площади сечения многогранника.

Этапы урока:

  1. Актуализация опорных знаний.
  2. Вспомнить теорему о площади ортогональной
    проекции многоугольника.


  3. Решение задач на нахождение площади сечения:

— без использования теоремы о площади
ортогональной проекции многоугольника;

— с использованием теоремы о площади
ортогональной проекции многоугольника.

3. Подведение итогов урока.

Ход урока.

  1. Актуализация опорных знаний.
  2. Вспомним теорему о площади ортогональной
    проекции многоугольника:
    площадь
    ортогональной проекции многоугольника на
    плоскость равна произведению его площади на
    косинус угла между плоскостью многоугольника и
    плоскостью проекции.

  3. Решение задач.

Задача 1.

ABCD – правильная треугольная пирамида со
стороной основания AB равной а и высотой DH
равной h. Постройте сечение пирамиды
плоскостью, проходящей через точки D, C и М, где М –
середина стороны АВ, и найдите его площадь (рис.7).

Решение.

Сечением пирамиды является треугольник MCD.
Найдем его площадь.

  1. Так как основание пирамиды – равносторонний
    треугольник и точка М – середина стороны, то СМ
    является высотой и тогда, СМ = .

  2. Площадь треугольника можно найти:

S = 1/2 · DH · CM = 1/2 · =


Рис.7

Задача 2.

Найти площадь сечения куба ABCDA1B1C1D1
с ребром а плоскостью, проходящей через
вершину D и точки Е и F на ребрах А1D1 и C1D1
соответственно, если A1E = k · D1E и C1F
= k · D1F.

Решение.

Построение сечения:

  1. Поскольку точки Е и F принадлежат плоскости
    сечения и плоскости грани A1B1C1D1,
    а две плоскости пересекаются по прямой, то прямая
    EF будет являться следом секущей плоскости на
    плоскость грани A1B1C1D1
    (рис.8).
  2. Аналогично получаются прямые ED и FD.
  3. EDF – искомое сечение.

Рис.8.

Задача 3 (для самостоятельного решения).

Построить сечение куба ABCDA1B1C1D1
со стороной а плоскостью, проходящей через
точки B, M и N, где Ь – середина ребра АА1, а N –
середина ребра СС1.

Решение.

Сечение строим методом следов.

Площадь сечения находим с помощью теоремы о
площади ортогональной проекции многоугольника.
Ответ: S = 1/2 · a2.

В задачах на построение сечений мы применяем все те определения, теоремы, свойства и признаки, которые изучаем и доказываем на уроках в школе.

Например, если две плоскости имеют общую точку, то они пересекаются по прямой. Это значит, что плоскость сечения и, например, плоскость грани пирамиды будут пересекаться по прямой, и на чертеже будет показана часть этой прямой – отрезок.

Как вы думаете — может ли восьмиугольник быть сечением куба?

И может ли правильный пятиугольник быть сечением куба?

Чтобы соединить какие-либо две точки на чертеже, нам нужна плоскость, в которой эти точки лежат. Иногда это грань объемного тела. Иногда – вспомогательная плоскость.

А вообще сечение — это плоская фигура, которая образуется при пересечении объемного тела плоскостью и граница которой лежит на поверхности этого объемного тела.

Конечно, восьмиугольник сечением куба быть не может. Ведь у куба 6 граней, и поэтому сечение куба не может иметь больше 6 сторон.

При построении сечений мы часто используем следующие теоремы:

1. Линии пересечения параллельных плоскостей третьей плоскостью параллельны.

Именно поэтому правильный пятиугольник не может быть сечением куба. Ведь 4 из 5 сторон этого пятиугольника лежат в параллельных гранях куба и поэтому параллельны. А у правильного пятиугольника параллельных сторон нет.

2. Теорема о прямой и параллельной ей плоскости:

Пусть прямая m параллельна плоскости α. Если плоскость β проходит через прямую m и пересекает плоскость α по прямой c, то c параллельна m.

Эта теорема помогает, например, при построении сечений пирамиды.

Разберем несколько задач на построение сечений.

1. Постройте сечение тетраэдра плоскостью, проходящей через точки М, N, K. Точка М лежит на ребре AD, N — на ребре DC, К — на ребре АВ.

Проведем МК в плоскости грани ABD и MN в плоскости грани ADC.

Продлим отрезки MN и АС; (MN)cap (AC)=P;Pin left(ABCright).

Проведем РК в плоскости нижней грани; PKcap BC=L; четырехугольник MNLK — искомое сечение.

2. Постройте сечение тетраэдра плоскостью, проходящей через точки М, N, K. Точка N лежит на ребре BC, M in AD, K in BD, MK parallel AB.

Покажем, что плоскость сечения пересекает плоскость основания пирамиды по прямой NT, параллельной МК.

Прямая МК параллельна АВ, лежащей в плоскости основания АВС. Значит, MK parallel (ABC).

Плоскость сечения проходит прямую МК, параллельную плоскости АВС. По теореме о прямой и параллельной ей плоскости, линия пересечения плоскости сечения и плоскости АВС параллельна прямой МК. Трапеция MKNT — искомое сечение.

3. Постройте сечение куба Adots D_1, проходящее через вершину D_1 и середины ребер AB и BC.

Пусть М — середина АВ, N — середина ВС, MNin left(ABCright). Продолжим прямую MN до пересечения с продолжениями ребер DC и AD;
left(MNright)cap left(DCright)=Kleft(MNright)cap left(ADright)=P.

Треугольники АМР и KCN — прямоугольные равнобедренные, причем AP = CK = frac{AB}{2}.

Проведем D_1K — в плоскости задней грани и D_1P — в плоскости левой грани куба;

D_1Kcap {CC}_1=F,{D}_1Pcap AA_1=T,

Пятиугольник MNFD_{1}T — искомое сечение. В нем есть параллельные стороны: TMparallel D_1F,  TD_1parallel NF, так как линии пересечения параллельных плоскостей третьей плоскостью параллельны.

4. Постройте сечение куба Adots D1, проходящее через вершину В и середины ребер AA_1 и CC_1.

Пусть М — середина ребра AA{}_{1}, N — середина ребра CC_{1}.

Поскольку линии пересечения параллельных плоскостей третьей плоскостью параллельны, плоскость сечения пересекает заднюю грань по прямой, параллельной ВМ, а левую грань — по прямой, параллельной BN. Тогда искомое сечение — ромб BND{}_{1}M.

5. Постройте сечение правильного тетраэдра АВСS, проходящее через точку К — середину ребра АВ, точку М, делящую ребро АS в отношении SM:AM = 1:2, и точку N — середину апофемы грани SBC.

Пусть SH — апофема грани SBC; N—середина SH.

Проведем MN в плоскости ASH;

left(MNright)cap left(AHright)=P;Pin left(ABCright).KPcap BC=F;FNcap SC=E;

Четырехугольник KMEF — искомое сечение.

Постройте сечение правильного тетраэдра АВСS, проходящее через точку К — середину ребра АВ, и точки М и Т — центры граней АSС и SBC.

Пусть SЕ и SH — апофемы граней ASC и SBC; точки М и Т делят отрезки SЕ и SH в отношении 2:1, считая от точки S.

Из подобия треугольников SMT и SEH получим, что MTparallel EH. Значит MTparallel (ABC).

По теореме о прямой и параллельной ей плоскости, линия пересечения плоскости сечения и нижней грани параллельна прямой МТ. Это значит, что плоскость сечения пересекает грань АВС по прямой АВ. Достроим сечение.

left(BTright)cap left(SCright)=F, где F — середина SC;

left(AMright)cap SC=F; triangle ABF — искомое сечение.

7. Постройте сечение куба Adots D_1, проходящее через точку М, лежащую на ребре DD_1 и точки Т и К, принадлежащие граням АВС и DCC_{1}.

Точки М и К лежат в плоскости задней грани DCC{}_{1}D{}_{1}. Соединив М и К, получим, что

MKcap CC{}_{1}=E,(MK)cap (DC)=P.

Соединив точки Р и Т в нижней грани, получим FN — линию пересечения плоскости сечения с нижней гранью;

Fin AD,Nin BC. Трапеция FMEN — искомое сечение.

8. И самый сложный случай. Построим сечение куба Adots D_1 плоскостью МNK, где M in left(BB_1C_1right),Nin left(AA_1D_1right),Kin left(ABCright), причем расстояния от точек М и N до плоскости АВС различны.

Пусть точки M{}_{1} и N{}_{1} — проекции точек M и N на плоскость нижней грани

Плоскость (MNN{}_{1}) проходит через параллельные прямые MM{}_{1} и NN{}_{1}.

Проведем в этой плоскости MN и M{}_{1}N{}_{1};

(MN )cap ( M{}_{1}N{}_{1})=P.

Точки Р и К лежат в нижней грани куба, следовательно, плоскость сечения пересекает нижнюю грань по прямой РК. Дальнейшее построение — очевидно.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими публикациями.
Информация на странице «Стереометрия. Задачи на построение сечений» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
08.05.2023

22
Окт 2014

13 Задание (2022) (C2)ВИДЕОУРОКИПРЕЗЕНТАЦИИ

Построение сечения куба

Построение сечения куба с помощью вспомогательной плоскости.

Решим задачу:

Построить сечение куба ABCDA_1B_1C_1D_1 плоскостью, проходящей через точкиK,~~L,~~M:

Построение сечения куба

Сечение многогранника плоскостью представляет собой плоский многоугольник, вершины которого принадлежат ребрам, а стороны — граням многогранника.

При построения сечения для нас важно, что две соседние вершины сечения должны принадлежать одной грани многогранника. Отрезок, соединяющий вершины, не лежащие в одной грани, не является стороной сечения.

В этой задаче ни одна пара точек, через которые мы должны провести сечение,  не лежит в одной грани куба, поэтому мы не можем соединить никакие две из данных точек отрезком, чтобы найти сторону сечения.

В этом случае для построения сечения мы введем вспомогательную плоскость.

Мы введем вспомогательную плоскость следующим образом.

Найдем ортогональную проекцию точки К на плоскость основания куба, получим точку K_1.

Найдем ортогональную проекцию точки L на плоскость основания куба, это точка С. Затем через параллельные прямые KK_1 и LC проведем вспомогательную плоскость K_1{K}L (голубая плоскость). Точка N —  точка пересечения прямых KL и K_1C и, следовательно, она лежит в плоскости искомого сечения и в плоскости основания.

Построение сечения куба

Прямая MN лежит и в плоскости сечения, и в плоскости основания куба, поэтому точка R -точка пересечения прямой MN с ребром DC является вершиной сечения, лежащей в одной грани с вершиной М.

Построение сечения куба

Мы нашли стороны сечения MR и RL:

Построение сечения куба

Самую сложную часть решения мы прошли. Дальше проще.

Посмотрите видео с подробным решением этой задачи:

Презентация:

И.В. Фельдман, репетитор по математике.

Для вас другие записи этой рубрики:

  • Решение тригонометрических уравнений с помощью введения вспомогательного угла
  • Видеолекция «Метод координат. Задание 14. Углы в пространстве»
  • Задание С2 из диагностической работы 13 марта 2013
  • Решение Задания С5 из диагностической работы №3
  • Задание С2 из досрочного ЕГЭ по математике
  • Задание 14 из Тренировочной работы МИОО 27.04.2016 (вар. 509)

Построение сечения куба

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как составить баланс на начало отчетного периода задачи
  • Как найти показатель адиабаты в процессе
  • Как исправить ошибку msvcr 120 dll
  • Как грамотно составить заявление в суд на алименты
  • Как найти работника в кирове