В задании 3 (простейшая стереометрия) задачи на шар встречаются не так часто, как на призму или пирамиду, но они требуют чёткого знания формул. В отличие от многогранников, у шара нет граней и рёбер, всё зависит только от одного параметра - радиуса R.
Сфера - это оболочка (как мыльный пузырь или оболочка баскетбольного мяча). Мы можем вычислить её площадь.
Шар - это сплошное тело (как арбуз или бильярдный шар). Мы можем вычислить его объём.
Основные формулы
Все вычисления сводятся к двум главным формулам. В них всегда присутствует число π, но в заданиях первой части оно обычно либо сокращается в процессе решения, либо в условии просят записать ответ в виде πV.
Шар, вписанный в цилиндр
Это самая популярная конструкция в задачах на шар. Если шар вписан в цилиндр, он касается его оснований и боковой поверхности.
Из этого геометрического факта вытекают жёсткие связи:
Радиус основания цилиндра равен радиусу шара: rцил=R.
Высота цилиндра равна диаметру шара: hцил=2R.
Если расписать объём цилиндра через радиус шара, получится:
Vцил=Sосн⋅h=(πR2)⋅(2R)=2πR3
Сравним это с объёмом шара (Vшара=34πR3):
VшараVцил=34πR32πR3=342=46=1,5
Объём цилиндра, описанного около шара, всегда ровно в 1,5 раза больше объёма этого шара. То же самое правило работает и для площадей их поверхностей.
Алгоритм решения
Примеры решения
Разберём типичные экзаменационные задачи от самых простых к более нестандартным.
Пример 1. Связь площади сечения и поверхности
Условие:
Площадь сечения шара плоскостью, проходящей через центр шара, равна 12. Найдите площадь поверхности шара.
Определяем вид сечения
Сечение шара, проходящее через его центр - это большой круг шара.
Его площадь вычисляется по формуле:
Sсеч=πR2=12
Нам не нужно находить отсюда радиус R. У нас уже есть готовый блок πR2=12.
Подставляем блок в формулу поверхности
Формула площади поверхности шара:
S=4πR2
Подставляем известное значение блока πR2 в эту формулу:
S=4⋅(πR2)=4⋅12=48
Пример 2. Вписанный шар
Условие:
Шар, объём которого равен 18, вписан в цилиндр. Найдите объём цилиндра.
Способ 1: выражаем блок πR3
Объём шара равен 18:
34πR3=18
Выразим отсюда блок πR3:
πR3=18⋅43=454=13,5
Считаем объём цилиндра
Высота цилиндра, описанного около шара, равна двум радиусам (h=2R), а радиус основания равен радиусу шара.
Объём цилиндра:
Vцил=πR2⋅h=πR2⋅2R=2πR3
Подставляем найденный блок πR3:
Vцил=2⋅13,5=27
Способ 2: быстрый
Мы знаем теорему: объём цилиндра, описанного около шара, в 1,5 раза больше объёма этого шара.
Vцил=1,5⋅18=27
Пример 3. Изменение объёма шара
Условие:
Шарообразный воздушный шар имеет объём 972πсм3. Из-за охлаждения воздуха его объём уменьшился в 8 раз. Найдите радиус шара (в сантиметрах) после охлаждения.
Находим новый объём
Найдём объём шара после охлаждения. Он уменьшился в 8 раз:
Vновое=8972π=2243π
Составляем уравнение
Запишем формулу объёма шара и приравняем:
34πR3=2243π
Решаем уравнение
Сократим π в обеих частях и умножим обе части на 3:
4R3=2729
Разделим на 4:
R3=8729
Извлечём кубический корень. 729=93 и 8=23, поэтому:
R=29=4,5см
Частые ошибки
Что запомнить
Проверь себя
По какой формуле вычисляется объём шара радиуса R?
Площадь большого круга шара равна 7. Чему равна площадь поверхности шара?
Шар вписан в цилиндр. Во сколько раз объём цилиндра больше объёма шара?
Объём шара уменьшили в 8 раз. Во сколько раз уменьшился его радиус?