Куля й сфера: переріз, площа поверхні й об’єм
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Математика — повний курс.
Обчислення радіуса перерізу кулі площиною за формулою r² = R² − d², площі сфери S = 4πR² та об'єму кулі V = 4πR³/3. Як змінюються площа й об'єм при зміні радіуса в k разів. Розв'язування задач на переплавлення куль і півкулю.
Почнімо з головного розмежування, яке часто плутають на НМТ.
Сфера — це поверхня, яка складається з усіх точок простору, що містяться на однаковій відстані R від центра O. У сфери немає внутрішнього об'єму — вона лише «шкаралупа». Куля — це тіло, обмежене сферою: усі точки простору, відстань яких від центра O не більша за R. Кулю можна уявити як об'єкт, який утворюється обертанням півкруга навколо його діаметра.
Коли кулю перетинають площиною, у перерізі завжди утворюється круг. Чому? Бо будь-яка площина, що перетинає кулю, вирізає в ній круг: усі точки межі перерізу рівновіддалені від основи перпендикуляра, опущеного з центра кулі на площину (це центр перерізу). Розгляньмо прямокутний трикутник, у якого:
один катет — відстань від центра кулі O до площини перерізу (позначають d)
другий катет — радіус перерізу r
гіпотенуза — радіус кулі R
За теоремою Піфагора отримуємо формулу:
Це ключова рівність для всіх задач на переріз кулі. Запам'ятай: з трьох величин (радіус кулі, радіус перерізу, відстань до площини) дві завжди можна знайти третю.
Окремі випадки
d = 0 — площина проходить через центр кулі. Переріз називають великим кругом, його радіус дорівнює R. Саме цей круг дає найбільшу можливу площу перерізу.
d = R — площина дотикається до сфери рівно в одній точці. Таку площину називають дотичною площиною. Радіус перерізу дорівнює нулю.
d > R — площина не має спільних точок із кулею; перерізу не існує.
Приклад
Переріз кулі площиною, що міститься на відстані 3 від центра, має радіус 4. Знайди радіус кулі та площу сфери.
Розв'язання. За формулою R² = r² + d² маємо R² = 4² + 3² = 16 + 9 = 25, тобто R = 5. Площа сфери S = 4π·5² = 4π·25 = 100π.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Дві найважливіші формули, які є в довідкових матеріалах НМТ:
Площа сфери — це площа чотирьох великих кругів: справді, площа великого круга дорівнює πR², а S = 4·πR². Об'єм кулі містить куб радіуса, тому він змінюється набагато швидше за площу.
Прямі обчислення
Якщо R = 5, то S = 4π·25 = 100π, V = 4π·125/3 = 500π/3.
Цікавий збіг: при R = 3 маємо S = 4π·9 = 36π і V = 4π·27/3 = 36π — числа збігаються. Але це єдиний такий випадок, тож не будуй на цьому жодних правил.
R | S = 4πR² | V = 4πR³/3 | Відношення S : V |
|---|---|---|---|
1 | 4π | 4π/3 | 3 : 1 |
2 | 16π | 32π/3 | 3 : 2 |
3 | 36π | 36π | 1 : 1 |
5 | 100π | 500π/3 | 3 : 5 |
Обернені задачі
Коли дано площу сфери або об'єм кулі, радіус знаходять оберненою підстановкою.
За площею: S = 64π ⇒ 4πR² = 64π ⇒ R² = 16 ⇒ R = 4.
За об'ємом: V = 288π ⇒ 4πR³/3 = 288π ⇒ R³ = 216 ⇒ R = 6.
За діаметром: якщо дано діаметр D, спершу поділи його навпіл: R = D/2, і лише потім підставляй у формули. Найпоширеніша помилка — підставити D замість R.
Півкуля
Півкуля — це половина кулі. Її об'єм:
Поверхня півкулі складається з двох частин: вигнутої півсфери площею 2πR² та плоскої основи — круга площею πR². Разом повна поверхня півкулі становить:
Це важливо пам'ятати в практичних задачах: коли фарбують купол (півсферу), беруть лише 2πR², а коли накривають посудину кришкою — додають і основу.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Оскільки площа сфери містить квадрат радіуса, а об'єм кулі — куб, зміна радіуса впливає на ці величини нелінійно.
Якщо радіус збільшити в k разів (R₂ = k·R₁), то:
площа сфери зросте в k² разів: S₂ = 4π(kR₁)² = k² · 4πR₁² = k² · S₁
об'єм кулі зросте в k³ разів: V₂ = 4π(kR₁)³/3 = k³ · 4πR₁³/3 = k³ · V₁
Зміна R | k | Зміна S (k²) | Зміна V (k³) |
|---|---|---|---|
× 2 (подвоєння) | 2 | × 4 | × 8 |
× 3 (потроєння) | 3 | × 9 | × 27 |
× 10 | 10 | × 100 | × 1000 |
Обернена логіка працює так само: якщо об'єм кулі збільшився у 8 разів, то радіус збільшився у 2 рази (∛8 = 2), а площа сфери — у 4 рази (2² = 4).
Переплавлення куль
Коли кілька куль переплавляють в одну, матеріал не зникає — зберігається сумарний об'єм. Це означає, що об'єм нової кулі дорівнює сумі об'ємів вихідних куль.
Приклад. Вісім однакових кульок радіуса 1 переплавили в одну велику кулю. Який її радіус?
Об'єм однієї кульки: V₁ = 4π·1³/3 = 4π/3. Сумарний об'єм: 8 · 4π/3 = 32π/3. Об'єм великої кулі: 4πR³/3. Прирівнюємо: 4πR³/3 = 32π/3 ⇒ R³ = 8 ⇒ R = 2.
Зверни увагу: сумарна площа поверхні восьми маленьких кульок (8 · 4π·1² = 32π) більша за площу великої кулі (4π·2² = 16π). Це пояснює, чому дрібні краплі швидше випаровуються — у них більша поверхня при тому самому об'ємі.
Практичні сюжети
Фарба на купол. Купол має форму півсфери радіуса R. Площа його поверхні (без основи) — 2πR². Саме стільки фарби знадобиться для покриття.
М'яч. Футбольний м'яч має діаметр 24 см. Знайдемо об'єм повітря всередині. R = 12 см. V = 4π·12³/3 = 4π·1728/3 = 2304π см³. Це приблизно 7,2 літра.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Площа перерізу кулі (вибір однієї відповіді)
Кулю радіуса 13 перетнули площиною, яка міститься на відстані 5 від центра кулі. Знайдіть площу утвореного перерізу.
Розв'язання. За формулою r² = R² − d² маємо r² = 13² − 5² = 169 − 25 = 144, отже, r = 12. Площа круга перерізу S_пер = πr² = π·144 = 144π.
Відповідь: 144π.
Чому інші варіанти неправильні:
24π — це довжина кола перерізу (2πr), а не площа.
64π — хтось узяв r = 13 − 5 = 8, віднявши відрізки, а не квадрати.
194π — додали квадрати замість віднімання: 169 + 25 = 194.
12π — хтось помилково вважав, що площа перерізу дорівнює πr.
Приклад 2. Від перерізу до площі сфери (коротка відповідь)
Переріз кулі площиною, яка міститься на відстані 6 від центра, має площу 64π. Знайдіть площу сфери, поділену на π.
Розв'язання. Площа перерізу S_пер = πr² = 64π, тому r² = 64, r = 8. За формулою r² = R² − d²: 64 = R² − 36 ⇒ R² = 100, R = 10. Площа сфери S = 4πR² = 4π·100 = 400π. Поділена на π: 400π / π = 400.
Відповідь: 400.
Чому відповідь не 100 і не 256:
100 — це πR² (площа великого круга), а не 4πR².
256 — хтось узяв 4r² = 4·64 = 256, сплутавши радіус перерізу з радіусом кулі.
Приклад 3. Зміна об'єму при зміні радіуса (вибір однієї відповіді)
Радіус кулі збільшили втричі. У скільки разів збільшився її об'єм?
Розв'язання. V = 4πR³/3. Якщо R₂ = 3R₁, то V₂ = 4π(3R₁)³/3 = 27 · (4πR₁³/3) = 27V₁. Об'єм збільшився у 27 разів.
Відповідь: 27.
Чому інші відповіді неправильні:
3 — плутають лінійну зміну радіуса з кубічною зміною об'єму.
9 — це k², тобто як змінилася б площа сфери, а не об'єм.
6 — механічне множення 3 на 2.
81 — це 3⁴, зайвий множник.
Приклад 4. Переплавлення куль (коротка відповідь)
З 27 однакових свинцевих кульок радіуса 2 см відлили одну велику кулю. Знайдіть її радіус у сантиметрах.
Розв'язання. Об'єм однієї кульки: V₁ = 4π·2³/3 = 4π·8/3 = 32π/3. Сумарний об'єм 27 кульок: 27 · 32π/3 = 288π. Об'єм великої кулі: 4πR³/3. Прирівнюємо: 4πR³/3 = 288π ⇒ R³ = 216 ⇒ R = 6 см.
Відповідь: 6.
Поширені пастки:
54 — хтось склав радіуси (27 · 2) замість об'ємів.
≈ 10,39 — прирівняли сумарну площу поверхні до площі нової кулі, а це неправильно, бо матеріал зберігає об'єм, а не поверхню.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Плутають формули. 4πR² — це площа сфери, а 4πR³/3 — об'єм кулі. Їх легко переплутати, бо обидві починаються з 4πR. Запам'ятай: площа містить квадрат (R²), об'єм — куб (R³), і в об'єму є ділення на 3.
У формулі перерізу віднімають довжини, а не їхні квадрати: r = R − d. Це найчастіша помилка в задачах на переріз. Правильно: r² = R² − d², тобто спочатку підносимо до квадрата, потім віднімаємо, потім добуваємо корінь.
Підставляють діаметр замість радіуса. У формулах фігурує R, а не D. Якщо в умові дано діаметр, обов'язково поділи його навпіл.
Вважають, що при збільшенні радіуса вдвічі об'єм зростає вдвічі або вчетверо. Насправді об'єм зростає у 2³ = 8 разів. Не плутай: площа сфери — у k² разів, об'єм — у k³ разів.
Площу перерізу кулі рахують як 4πr² замість πr². Переріз — це просто круг, його площа πr². Формула 4πR² — це площа всієї сфери, а не перерізу.
У задачах на переплавлення прирівнюють радіуси чи площі поверхонь замість об'ємів. Пам'ятай: матеріал зберігає об'єм, а не площу поверхні. Складаємо об'єми, а потім знаходимо новий радіус.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема «Куля й сфера, переріз кулі площиною, формули об'єму кулі та площі сфери» входить до теми 6.2 програми НМТ і належить до рівня стандарту. Це означає, що таке завдання може отримати кожен учасник тестування.
Рівняння сфери (тема 6.3) у програмі позначено як елемент профільного рівня (П). НМТ укладають за повною програмою, тож таке завдання не виключене.
Що є в довідкових матеріалах: формули V = 4πR³/3 та S = 4πR². Формули r² = R² − d² у довідці немає, але в ній є теорема Піфагора для прямокутного трикутника — саме вона дає цю рівність.
Формати завдань
Вибір однієї відповіді з п'яти (завдання 1–15). Оцінюється в 0 або 1 бал. Тут відповідь може містити π.
Коротка відповідь (завдання 19–22). Оцінюється в 0 або 2 бали без часткових балів. Відповідь — лише десятковий дріб (або ціле число). Число з π записати не можна! Уважно прочитай, яку саме величину просять: часто йдеться про «площу сфери, поділену на π» або «об'єм кулі, поділений на π».
Стратегія виконання
Перевір розмірність: площа вимірюється в квадратних одиницях, об'єм — у кубічних. Якщо в завданні згадують квадратні сантиметри — шукаєш площу; якщо кубічні — об'єм.
Якщо в завданні на коротку відповідь фігурує π, запитай себе: «Чи просять поділити на π?» Відповідь без π — це звичайне число.
Для задач на переріз намалюй прямокутний трикутник (центр кулі, центр перерізу, точка на колі). Візуалізація майже завжди рятує від помилки r = R − d.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чим куля відрізняється від сфери?
Сфера — це тільки поверхня (оболонка), усі точки якої містяться на однаковій відстані від центра. Куля — це тіло, обмежене сферою: до неї належать і всі внутрішні точки. Іншими словами, сфера — це «шкірка», а куля — «апельсин» разом з «м'якоттю». Для сфери обчислюють площу поверхні (S = 4πR²), а для кулі — об'єм (V = 4πR³/3).
Чому переріз кулі площиною завжди є кругом?
Будь-яка площина, що перетинає кулю, утворює в перерізі фігуру, усі точки межі якої віддалені на ту саму відстань від основи перпендикуляра, опущеного з центра кулі на площину. Тож межа перерізу — коло, а сам переріз — круг. Якщо площина проходить через центр кулі, то переріз — великий круг радіуса R. Якщо на відстані d від центра — круг меншого радіуса r, який знаходять за теоремою Піфагора: r² = R² − d².
Як не сплутати формули площі сфери й об'єму кулі?
Користуйся асоціаціями: площа вимірюється в квадратних одиницях (м², см²), тому у формулі має бути квадрат радіуса: S = 4πR². Об'єм — у кубічних одиницях, тому — куб радіуса: V = 4πR³/3. Крім того, в об'єму є ділення на 3, а в площі — ні.
У скільки разів зросте об'єм кулі, якщо радіус подвоїти?
Об'єм зросте у 2³ = 8 разів. Це випливає з формули V = 4πR³/3: якщо R₂ = 2R₁, то V₂ = 4π(2R₁)³/3 = 8 · (4πR₁³/3) = 8V₁. Аналогічно, якщо радіус збільшити в k разів, об'єм зросте в k³ разів.
Як знайти об'єм півкулі?
Півкуля — це половина кулі, тому її об'єм V = (4πR³/3) : 2 = 2πR³/3. Повна поверхня півкулі складається з вигнутої частини (півсфери) площею 2πR² та плоскої основи (круга) площею πR², тобто разом 3πR².
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Площа сфери: S = 4πR²; об'єм кулі: V = 4πR³/3.
Радіус перерізу кулі: r² = R² − d², де d — відстань від центра до площини.
Якщо d = 0, переріз — великий круг (r = R). Якщо d = R, площина дотична.
Радіус у k разів більший ⇒ площа сфери в k² разів, об'єм кулі в k³ разів більший.
Під час переплавлення куль зберігається сумарний об'єм.
Якщо в умові дано діаметр, обов'язково поділи його навпіл перед підстановкою у формули.
Об'єм півкулі: V = 2πR³/3; її повна поверхня: S = 3πR².
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Кулю радіуса 17 перетнули площиною на відстані 8 від центра. Знайдіть площу утвореного перерізу.
2. Знайдіть об'єм кулі радіуса 6.
3. Кулю радіуса 10 перетнули площиною на відстані 6 від центра кулі. Знайдіть радіус утвореного перерізу.
4. Радіус кулі збільшили в 4 рази. У скільки разів збільшився її об'єм?
5. Об'єм кулі збільшився у 27 разів. У скільки разів збільшилася площа її сфери?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест