پرش به محتوای اصلی

حجم و مساحت کره و هرم (ریاضی نهم)

بخشی از بانک سؤال طبقه‌بندی‌شده‌ی این مبحث در کوئیز سنتر — رایگان و بدون نیاز به ثبت‌نام

خلاصه‌ی درسنامه

این خلاصه‌ای از درسنامه‌ی کامل است. متن کامل با همه‌ی نکته‌ها، مثال‌های حل‌شده و جمع‌بندی، با ثبت‌نام رایگان در دسترست قرار می‌گیرد.

حجم و مساحت (نهم)

این مبحث سه بخش دارد: کره، هرم و مخروط، و در پایان مسائلِ ترکیبیِ سطح و حجم (گسترده، دوران، مقطع). نکتهٔ خوبِ این فصل این است که همه‌چیز از چند فرمولِ کوتاه می‌آید و بقیه‌اش فهمِ شکل است.

کره: از دایره به فضا

دایره مجموعهٔ نقاطی در صفحه است که فاصله‌شان از مرکز برابرِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد؛ کره دقیقاً همین تعریف است، فقط در فضا. یعنی کره تعمیمِ دایره از دو بعد به سه بعد است. همان‌طور که دایره فقط خطِ محیط است، کره هم در تعریفِ ریاضی فقط رویه (سطحِ بیرونی) است، نه فضایِ توپرِ داخلش؛ وقتی از «حجمِ کره» حرف می‌زنیم منظور فضایی است که این رویه محصور کرده.

استوانهٔ محیط بر کره: اگر کره‌ای به شعاعِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین را طوری در استوانه بگذاری که از هر طرف مماس باشد، شعاعِ قاعدهٔ استوانه RRادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاعش 2R2Rادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود (چون از بالا و پایین هم مماس است و قطرِ کره 2R2Rادامهٔ فرمول را افقی ببین است). پس:

Vاستوانه=πR2×2R=2πR3V_{\text{استوانه}} = \pi R^2 \times 2R = 2\pi R^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین

آرشیمد ثابت کرد که حجمِ کره دقیقاً 23\frac{2}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین حجمِ همین استوانه است، و از همین‌جا فرمولِ اصلی می‌آید:

Vکره=23×2πR3=43πR3Sرویهٔ کره=4πR2\boxed{V_{\text{کره}} = \frac{2}{3}\times 2\pi R^3 = \frac{4}{3}\pi R^3} \qquad \boxed{S_{\text{رویهٔ کره}} = 4\pi R^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

نکتهٔ شهودیِ قشنگ: 4πR2=4×(πR2)4\pi R^2 = 4\times(\pi R^2)ادامهٔ فرمول را افقی ببین، یعنی مساحتِ رویهٔ کره دقیقاً برابرِ مساحتِ چهار دایره به همان شعاع است.

نیم‌کره:

کمیت فرمول
حجم 23πR3\frac{2}{3}\pi R^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین (نصفِ حجمِ کره)
رویهٔ منحنی 2πR22\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین
مساحتِ کل (منحنی + قاعده) 2πR2+πR2=3πR22\pi R^2+\pi R^2 = 3\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

اینکه کدام‌یک خواسته شده را با دقت بخوان؛ اگر جسم توپر باشد (مثلِ نیم‌توپ یا کاسه)، دایرهٔ قاعده هم جزءِ سطحِ بیرونی است.

نسبتِ حجم‌ها با نسبتِ شعاع‌ها: اگر R2=kR1R_2 = kR_1ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد:

V2V1=k3,S2S1=k2\frac{V_2}{V_1}=k^3 \qquad , \qquad \frac{S_2}{S_1}=k^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پس اگر شعاع دو برابر شود، حجم ۸ برابر و مساحتِ رویه ۴ برابر می‌شود — نه دو برابر.

پوستهٔ کروی: اگر کره‌ای از داخل با یک حفرهٔ کرویِ هم‌مرکز خالی شده باشد، حجمِ باقی‌مانده تفاضلِ دو حجم است:

Vپوسته=43π(R3−r3)V_{\text{پوسته}} = \frac{4}{3}\pi(R^3-r^3)ادامهٔ فرمول را افقی ببین

نمادِ علمی: در مسائلی مثلِ کرهٔ زمین که اعداد خیلی بزرگ‌اند، با نمادِ علمی کار کن. مثلاً با شعاعِ R=6,4×103R = 6{,}4\times10^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین کیلومتر:

S=4πR2=4π(6,4×103)2≈5,1×108 km2S = 4\pi R^2 = 4\pi(6{,}4\times10^3)^2 \approx 5{,}1\times10^8 \text{ km}^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

هرم و مخروط

هرم یک قاعدهٔ چندضلعی دارد و وجه‌هایِ جانبیِ مثلثی که همه در یک نقطه (رأس) به هم می‌رسند. ارتفاع (hhادامهٔ فرمول را افقی ببین) فاصلهٔ عمودیِ رأس تا صفحهٔ قاعده است.

هرمِ منتظم هرمی است که قاعده‌اش چندضلعیِ منتظم باشد و وجه‌هایِ جانبی‌اش هم‌نهشت؛ در آن پایِ ارتفاع دقیقاً رویِ مرکزِ قاعده می‌افتد.

فرمولِ حجمِ هرم از کجا آمد؟ یک منشورِ مثلثی را می‌توان به سه هرم با حجم‌هایِ مساوی تجزیه کرد. پس حجمِ هر هرم یک‌سومِ منشور است، و چون هر هرمی را می‌توان به هرم‌هایِ مثلثی تجزیه کرد، این نتیجه برایِ همهٔ هرم‌ها برقرار است:

Vهرم=13×Sقاعده×h\boxed{V_{\text{هرم}} = \frac{1}{3}\times S_{\text{قاعده}}\times h}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

اصلِ مهم: دو هرم با مساحتِ قاعدهٔ برابر و ارتفاعِ برابر، حجمِ برابر دارند — حتی اگر شکلِ قاعده‌هایشان فرق کند.

از هرم به مخروط: اگر تعدادِ اضلاعِ قاعدهٔ هرمِ منتظم را بیشتر و بیشتر کنی، قاعده به دایره میل می‌کند و هرم به مخروط تبدیل می‌شود. پس مخروط چیزی جز حدِ هرمِ منتظم نیست و همان فرمول را دارد، فقط با S=πR2S=\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

Vمخروط=13πR2h\boxed{V_{\text{مخروط}} = \frac{1}{3}\pi R^2 h}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
شکل حجم نسبت
منشور S⋅hS\cdot hادامهٔ فرمول را افقی ببین ۱
هرم 13Sh\frac{1}{3}Shادامهٔ فرمول را افقی ببین 13\frac{1}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
استوانه πR2h\pi R^2hادامهٔ فرمول را افقی ببین ۱
مخروط 13πR2h\frac{1}{3}\pi R^2hادامهٔ فرمول را افقی ببین 13\frac{1}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سه طولِ متفاوت که نباید قاطی شوند:

طول نماد تعریف کاربرد
ارتفاعِ اصلی hhادامهٔ فرمول را افقی ببین فاصلهٔ عمودیِ رأس تا قاعده محاسبهٔ حجم
ارتفاعِ جانبی llادامهٔ فرمول را افقی ببین فاصلهٔ رأس تا وسطِ ضلعِ قاعده محاسبهٔ مساحتِ جانبی
یالِ جانبی eeادامهٔ فرمول را افقی ببین فاصلهٔ رأس تا رأسِ قاعده مسائلِ هندسی

در مخروط این سه به فیثاغورس وصل می‌شوند: l2=R2+h2l^2 = R^2+h^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین. پس اگر دو تا را دادند، سومی را دربیاور: h=l2−R2h=\sqrt{l^2-R^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

در هرمِ منتظم با قاعدهٔ مربع به ضلعِ aaادامهٔ فرمول را افقی ببین، فاصلهٔ مرکزِ قاعده تا وسطِ هر ضلع برابرِ a2\frac{a}{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس:

l2=h2+(a2)2l^2 = h^2+\left(\frac{a}{2}\right)^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

مساحتِ سطح و گسترده

گسترده شکلِ مسطحی است که با تا کردنش جسمِ سه‌بعدی ساخته می‌شود؛ بهترین ابزار برایِ فهمِ مساحتِ کل، چون همهٔ وجه‌ها را کنارِ هم و مسطح می‌بینی.

Sمکعب=6a2Sمکعب‌مستطیل=2(lw+wh+lh)S_{\text{مکعب}} = 6a^2 \qquad S_{\text{مکعب‌مستطیل}} = 2(lw+wh+lh)ادامهٔ فرمول را افقی ببین

هرمِ منتظم: هر وجهِ جانبی مثلثی است با مساحتِ 12al\frac{1}{2}alادامهٔ فرمول را افقی ببین. اگر قاعده nnادامهٔ فرمول را افقی ببین ضلع داشته باشد:

Sجانبی=n×12al=12×P×lS_{\text{جانبی}} = n\times\frac{1}{2}al = \frac{1}{2}\times P\times lادامهٔ فرمول را افقی ببین

که PPادامهٔ فرمول را افقی ببین محیطِ قاعده است. برایِ قاعدهٔ مربع: Sجانبی=2alS_{\text{جانبی}}=2alادامهٔ فرمول را افقی ببین و Sکل=2al+a2S_{\text{کل}}=2al+a^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

مخروط: مخروط از پیچیدنِ یک قطاعِ دایره ساخته می‌شود که شعاعش همان llادامهٔ فرمول را افقی ببین است. رابطهٔ کلیدی این است که طولِ کمانِ آن قطاع برابرِ محیطِ قاعدهٔ مخروط می‌شود:

θ360×2πl=2πR  ⟹  R=θ360×l\frac{\theta}{360}\times 2\pi l = 2\pi R \;\Longrightarrow\; R = \frac{\theta}{360}\times lادامهٔ فرمول را افقی ببینSجانبیِ مخروط=πRlSکلِ مخروط=πR(R+l)Sکلِ استوانه=2πR(R+h)S_{\text{جانبیِ مخروط}} = \pi R l \qquad S_{\text{کلِ مخروط}} = \pi R(R+l) \qquad S_{\text{کلِ استوانه}} = 2\pi R(R+h)ادامهٔ فرمول را افقی ببین

دوران و سطحِ مقطع

اگر شکلِ مسطحی را حولِ یک خط (محورِ دوران) بچرخانی، جسمِ سه‌بعدی می‌سازد. هر نقطه به فاصلهٔ rrادامهٔ فرمول را افقی ببین از محور، دایره‌ای به شعاعِ rrادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد.

شکلِ مسطح محورِ دوران جسمِ حاصل
مستطیلِ r×hr\times hادامهٔ فرمول را افقی ببین ضلعِ hhادامهٔ فرمول را افقی ببین استوانه با شعاعِ rrادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاعِ hhادامهٔ فرمول را افقی ببین
مثلثِ قائم‌الزاویه با پاهایِ rrادامهٔ فرمول را افقی ببین و hhادامهٔ فرمول را افقی ببین پایِ hhادامهٔ فرمول را افقی ببین مخروط با شعاعِ rrادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاعِ hhادامهٔ فرمول را افقی ببین
نیم‌دایره به شعاعِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین قطر کره به شعاعِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین
ربع‌دایره به شعاعِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین یکی از شعاع‌ها نیم‌کره به شعاعِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین
ذوزنقهٔ قائم‌الزاویه ضلعِ عمودی کلنگی (استوانه منهایِ مخروط)

دقت: دورانِ یک مثلثِ قائم‌الزاویه حولِ دو پایِ مختلف، دو مخروطِ با حجم‌هایِ متفاوت می‌دهد، چون نقشِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین و hhادامهٔ فرمول را افقی ببین جا‌به‌جا می‌شود.

سطحِ مقطع: برشِ کره با هر صفحه‌ای همیشه دایره است؛ بزرگ‌ترین دایره وقتی است که صفحه از مرکز بگذرد (شعاعش RRادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود) و هرچه صفحه از مرکز دورتر باشد، دایره کوچک‌تر است.

نسبتِ VS\frac{V}{S}ادامهٔ فرمول را افقی ببین: این نسبت می‌گوید جسم چقدر «فشرده» است. از میانِ همهٔ اجسام با سطحِ ثابت، کره بیشترین حجم را دارد — به همین دلیل حباب‌هایِ صابون، قطره‌هایِ آب و سیاره‌ها کروی‌اند: با کمترین سطح، بیشترین حجم را نگه می‌دارند.

نمایِ بالا و برش: نمایِ بالایِ هرمِ منتظم همان شکلِ قاعده است با خط‌هایی که به مرکز می‌روند — نه یک دایره. و برشِ موربِ مکعب می‌تواند شکل‌هایِ متفاوتی بدهد؛ مثلاً برش از وسطِ سه ضلعی که به یک رأس می‌رسند، یک مثلثِ متساوی‌الاضلاع به ضلعِ a22\frac{a\sqrt{2}}{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد.

کره‌ها در جعبه: وقتی کره‌هایی به شعاعِ rrادامهٔ فرمول را افقی ببین را در جعبه می‌چینی، فاصلهٔ مرکزِ هر کره تا دیوارِ مماس rrادامهٔ فرمول را افقی ببین و فاصلهٔ مرکزِ دو کرهٔ مماس 2r2rادامهٔ فرمول را افقی ببین است. نکتهٔ جالب اینکه حتی در فشرده‌ترین چینشِ ممکن، کره‌ها فقط حدودِ ۷۴%۷۴\%ادامهٔ فرمول را افقی ببین فضا را پر می‌کنند و حدودِ ۲۶%۲۶\%ادامهٔ فرمول را افقی ببین همیشه خالی می‌ماند — این نسبت به اندازهٔ کره‌ها بستگی ندارد.

مسائلِ ترکیبی

برایِ اجسامِ ترکیبی (مثلِ استوانک = استوانه + نیم‌کره، یا کپسول):
۱) جسم را به بخش‌هایِ ساده تجزیه کن؛
۲) حجم‌ها را جمع کن (یا در حالتِ حفره، کم کن)؛
۳) برایِ مساحت، فقط سطوحِ بیرونی را بشمار و سطحِ مشترکِ چسبیده بینِ دو بخش را حذف کن.

مثلاً برایِ استوانک:

V=πR2h+23πR3S=2πRh+2πR2+πR2=2πRh+3πR2V = \pi R^2h+\frac{2}{3}\pi R^3 \qquad S = 2\pi Rh+2\pi R^2+\pi R^2 = 2\pi Rh+3\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

(قاعدهٔ بالاییِ استوانه که زیرِ نیم‌کره پنهان شده، سطحِ بیرونی نیست.)

مسئله‌هایِ ریختنِ آب: حجم ثابت می‌ماند، پس دو فرمول را مساوی بگذار. مثلاً آبِ یک نیم‌کره را در استوانه‌ای با همان شعاع بریزی:

23πR3=πR2h  ⟹  h=2R3\frac{2}{3}\pi R^3 = \pi R^2 h \;\Longrightarrow\; h = \frac{2R}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

جالب اینکه این ارتفاع همیشه 23R\frac{2}{3}Rادامهٔ فرمول را افقی ببین است، مستقل از اندازهٔ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین.

هرم و مخروطِ ناقص (فراتر از کتاب، ولی پرتکرار در تیزهوشان): اگر مخروطی را با صفحه‌ای موازیِ قاعده ببری، بخشِ بالایی با مخروطِ اصلی متشابه است. پس اگر نسبتِ طولی kkادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، نسبتِ حجم‌ها k3k^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین است — همان قاعده‌ای که در کره هم دیدیم.

چند سوءتفاهمِ رایج

خیلی‌ها فکر می‌کنند کره یعنی «توپ» و شاملِ فضایِ داخلش هم می‌شود؛ ولی در واقع در تعریفِ ریاضی کره فقط رویه است و حجمِ کره یعنی فضایی که این رویه محصور کرده.

خیلی‌ها فکر می‌کنند چون فرمولِ حجمِ هرم شبیهِ منشور است، حجمشان هم نزدیک است؛ ولی در واقع هرم دقیقاً یک‌سومِ منشورِ هم‌قاعده و هم‌ارتفاع است و ضریبِ 13\frac{1}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین هرگز حذف نمی‌شود.

خیلی‌ها فکر می‌کنند مخروط فرمول‌هایِ کاملاً جدایی از هرم دارد چون یکی گرد است و دیگری چندضلعی؛ ولی در واقع مخروط فقط هرمی منتظم با بی‌نهایت ضلع است و از همان V=13ShV=\frac{1}{3}Shادامهٔ فرمول را افقی ببین پیروی می‌کند.

خیلی‌ها فکر می‌کنند طولِ کمانِ قطاعِ بریده‌شده برابرِ محیطِ دایرهٔ بزرگِ اولیه است؛ ولی در واقع برابرِ محیطِ قاعدهٔ مخروطِ نهایی است، که دایرهٔ کوچک‌تری است.

خیلی‌ها فکر می‌کنند در اجسامِ ترکیبی، مساحتِ کل جمعِ مساحتِ کلِ تک‌تکِ بخش‌هاست؛ ولی در واقع باید سطوحِ مشترکِ چسبیده را که دیگر بیرونی نیستند کم کرد.

اشتباه‌هایِ رایج

  • گذاشتنِ قطر به جایِ شعاع در فرمول‌ها. اگر «دهانه» یا «قطر» گفتند، اول نصف کن.
  • فراموش کردنِ ضریبِ 43\frac{4}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین در حجمِ کره یا ضریبِ 13\frac{1}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین در هرم و مخروط.
  • جا‌به‌جا کردنِ توان‌ها: S=4πR2S=4\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین و V=43πR3V=\frac{4}{3}\pi R^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نه برعکس.
  • اشتباه گرفتنِ ارتفاعِ جانبی (llادامهٔ فرمول را افقی ببین) با ارتفاعِ اصلی (hhادامهٔ فرمول را افقی ببین)؛ حجم با hhادامهٔ فرمول را افقی ببین حساب می‌شود و مساحتِ جانبی با llادامهٔ فرمول را افقی ببین.
  • استفاده از h=l−Rh=l-Rادامهٔ فرمول را افقی ببین به جایِ فیثاغورس؛ درستش h=l2−R2h=\sqrt{l^2-R^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
  • گرفتنِ ارتفاعِ استوانهٔ محیط بر کره برابرِ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ درستش 2R2Rادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
  • شمردنِ قاعدهٔ مشترک در اجسامِ ترکیبی؛ آن سطح بیرونی نیست.
  • فراموش کردنِ 12\frac{1}{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین در مساحتِ مثلثِ جانبی.
  • در مخروطِ ساخته‌شده از قطاع، شعاعِ دایرهٔ اولیه را شعاعِ قاعده فرض کردن؛ آن شعاع در واقع llادامهٔ فرمول را افقی ببین است.
  • گمان کردن که دو برابر شدنِ شعاع یعنی دو برابر شدنِ حجم.

نمونه سؤال

سؤال ۱: کره‌ای به شعاعِ ۶ سانتی‌متر داریم. حجم و مساحتِ رویهٔ آن را بر حسبِ π\piادامهٔ فرمول را افقی ببین حساب کنید.

پاسخ: با R=6R=6ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

V=43π(6)3=43π×216=288π cm3V = \frac{4}{3}\pi(6)^3 = \frac{4}{3}\pi\times216 = 288\pi \text{ cm}^3ادامهٔ فرمول را افقی ببینS=4π(6)2=144π cm2S = 4\pi(6)^2 = 144\pi \text{ cm}^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سؤال ۲: هرمِ منتظمی با قاعدهٔ مربع به ضلعِ ۶ سانتی‌متر داریم که ارتفاعِ جانبی‌اش ۵ سانتی‌متر است. حجمش چقدر است؟

پاسخ: فاصلهٔ مرکزِ قاعده تا وسطِ ضلع برابرِ 62=3\frac{6}{2}=3ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و l=5l=5ادامهٔ فرمول را افقی ببین. با فیثاغورس در مثلثِ قائم‌الزاویه‌ای که hhادامهٔ فرمول را افقی ببین، 33ادامهٔ فرمول را افقی ببین و 55ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازند:

h=52−32=16=4 cmh = \sqrt{5^2-3^2} = \sqrt{16} = 4 \text{ cm}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

مساحتِ قاعده 62=366^2=36ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس:

V=13×36×4=48 cm3V = \frac{1}{3}\times36\times4 = 48 \text{ cm}^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سؤال ۳: مخروطی از پیچیدنِ قطاعی از دایره به شعاعِ ۱۲ سانتی‌متر و زاویهٔ مرکزیِ ۱۲۰ درجه ساخته شده. شعاعِ قاعده و ارتفاعِ این مخروط را حساب کنید.

پاسخ: شعاعِ قطاع همان ارتفاعِ جانبیِ مخروط است، پس l=12l=12ادامهٔ فرمول را افقی ببین. حالا:

R=θ360×l=120360×12=4 cmR = \frac{\theta}{360}\times l = \frac{120}{360}\times12 = 4 \text{ cm}ادامهٔ فرمول را افقی ببینh=l2−R2=144−16=128=82 cmh = \sqrt{l^2-R^2} = \sqrt{144-16} = \sqrt{128} = 8\sqrt{2} \text{ cm}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سؤال ۴: حجمِ یک کره ۶۴ برابرِ حجمِ کرهٔ دیگر است. مساحتِ رویهٔ کرهٔ بزرگ‌تر چند برابرِ کرهٔ کوچک‌تر است؟

پاسخ: اگر نسبتِ شعاع‌ها kkادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، k3=64k^3=64ادامهٔ فرمول را افقی ببین پس k=4k=4ادامهٔ فرمول را افقی ببین. و چون نسبتِ مساحت‌ها k2k^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین است:

SبزرگSکوچک=42=16\frac{S_{\text{بزرگ}}}{S_{\text{کوچک}}} = 4^2 = 16ادامهٔ فرمول را افقی ببین

یعنی ۱۶ برابر.

سؤال ۵ (ترکیبی): مثلثِ قائم‌الزاویه‌ای با پاهایِ ۶ و ۸ سانتی‌متر را یک‌بار حولِ پایِ ۶ و بارِ دیگر حولِ پایِ ۸ می‌چرخانیم. حجمِ کدام مخروط بزرگ‌تر است و چند برابر؟

پاسخ: وقتی حولِ پایِ ۶ می‌چرخد، همان پا ارتفاع می‌شود و پایِ دیگر شعاع:

V1=13π(8)2(6)=128πV_1 = \frac{1}{3}\pi(8)^2(6) = 128\piادامهٔ فرمول را افقی ببین

وقتی حولِ پایِ ۸ می‌چرخد:

V2=13π(6)2(8)=96πV_2 = \frac{1}{3}\pi(6)^2(8) = 96\piادامهٔ فرمول را افقی ببین

پس V1V2=12896=43\frac{V_1}{V_2}=\frac{128}{96}=\frac{4}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ دوران حولِ پایِ کوچک‌تر مخروطِ بزرگ‌تری با حجمِ 43\frac{4}{3}ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر می‌سازد.

سؤال ۶ (ترکیبی): استوانه‌ای به شعاعِ ۶ و ارتفاعِ ۱۰ سانتی‌متر داریم که یک مخروطِ هم‌قاعده و هم‌ارتفاع از داخلش کنده شده. حجمِ باقی‌مانده چقدر است؟

پاسخ: حجمِ استوانه π(36)(10)=360π\pi(36)(10)=360\piادامهٔ فرمول را افقی ببین و حجمِ مخروط 13π(36)(10)=120π\frac{1}{3}\pi(36)(10)=120\piادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس باقی‌مانده 360π−120π=240π360\pi-120\pi=240\piادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌مترمکعب. (همان‌طور که انتظار داریم، دقیقاً دوسومِ استوانه باقی می‌ماند.)

سؤال ۷: ظرفی داریم به شکلِ استوانه که کفش یک نیم‌کرهٔ توپر است (مثلِ یک ظرفِ آزمایشگاهیِ ته‌گرد). شعاعِ ظرف ۴ و ارتفاعِ بخشِ استوانه‌ایِ آن ۹ سانتی‌متر است. (الف) اگر تا لبه از آب پر شود چقدر آب می‌گیرد؟ (ب) مساحتِ سطحِ داخلی که با آب در تماس است چقدر است؟

پاسخ: (الف) حجم مجموعِ استوانه و نیم‌کره است:

V=π(16)(9)+23π(64)=144π+1283π=5603π cm3V = \pi(16)(9)+\frac{2}{3}\pi(64) = 144\pi+\frac{128}{3}\pi = \frac{560}{3}\pi \text{ cm}^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین

(ب) سطحِ در تماس با آب = سطحِ جانبیِ استوانه + رویهٔ منحنیِ نیم‌کره (قاعدهٔ نیم‌کره داخلی است و سطحِ تماس نیست):

S=2π(4)(9)+2π(16)=72π+32π=104π cm2S = 2\pi(4)(9)+2\pi(16) = 72\pi+32\pi = 104\pi \text{ cm}^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سؤال ۸: نیم‌دایره‌ای به شعاعِ ۷ سانتی‌متر را حولِ قطرش می‌چرخانیم تا کره‌ای بسازیم، سپس این کره را در کوچک‌ترین مکعبِ ممکن جا می‌دهیم. کره چند درصدِ حجمِ مکعب را اشغال می‌کند؟ (π≈3.14\pi\approx3.14ادامهٔ فرمول را افقی ببین)

پاسخ: دورانِ نیم‌دایره حولِ قطر، کره‌ای به شعاعِ R=7R=7ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد. چون کره در مکعب محاط است، ضلعِ مکعب برابرِ قطرِ کره یعنی 1414ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

Vکره=43×3.14×343≈1436 cm3Vمکعب=143=2744 cm3V_{\text{کره}} = \frac{4}{3}\times3.14\times343 \approx 1436 \text{ cm}^3 \qquad V_{\text{مکعب}} = 14^3 = 2744 \text{ cm}^3ادامهٔ فرمول را افقی ببیندرصد=14362744×100≈52.3%\text{درصد} = \frac{1436}{2744}\times100 \approx 52.3\%ادامهٔ فرمول را افقی ببین

نکتهٔ جالب: این درصد همیشه π6×100≈52.4%\frac{\pi}{6}\times100\approx52.4\%ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و به اندازهٔ کره بستگی ندارد.

جمع‌بندی

جسم حجم مساحتِ جانبی مساحتِ کل
کره 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین — 4πR24\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین
نیم‌کره 23πR3\frac{2}{3}\pi R^3ادامهٔ فرمول را افقی ببین 2πR22\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین 3πR23\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین
هرمِ منتظم 13Sh\frac{1}{3}Shادامهٔ فرمول را افقی ببین 12Pl\frac{1}{2}Plادامهٔ فرمول را افقی ببین 12Pl+Sقاعده\frac{1}{2}Pl+S_{\text{قاعده}}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
مخروط 13πR2h\frac{1}{3}\pi R^2hادامهٔ فرمول را افقی ببین πRl\pi Rlادامهٔ فرمول را افقی ببین πR(R+l)\pi R(R+l)ادامهٔ فرمول را افقی ببین
استوانه πR2h\pi R^2hادامهٔ فرمول را افقی ببین 2πRh2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین 2πR(R+h)2\pi R(R+h)ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سه چیز را همیشه چک کن: شعاع دادند یا قطر؛ ارتفاعِ عمودی خواسته شده یا ارتفاعِ جانبی؛ و در اجسامِ ترکیبی کدام سطح واقعاً بیرونی است. اگر این سه را درست بگیری، بقیهٔ کار فقط جای‌گذاری در همین جدول است.

سؤال تستی

۵ تست با پاسخنامه‌ی تحلیلی — برای دیدن بزن

پاسخنامه‌ی تحلیلی سه‌بخشی برای هر سؤال

  • چرا گزینه‌ی درست، درست است
  • چرا هر گزینه‌ی دیگر غلط است
  • تله‌ی تستی‌ای که باید بشناسی

1. اگر شعاع یک کره و ضلع یک مکعب با هم برابر باشند، نسبت VS\frac{V}{S}ادامهٔ فرمول را افقی ببین (حجم به مساحت کل) کره به چند برابر نسبت VS\frac{V}{S}ادامهٔ فرمول را افقی ببین مکعب است؟

  • 33ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 11ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 44ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 22ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«22ادامهٔ فرمول را افقی ببین» درست است زیرا VS\frac VSادامهٔ فرمول را افقی ببین کره R3\frac R3ادامهٔ فرمول را افقی ببین و VS\frac VSادامهٔ فرمول را افقی ببین مکعب a6\frac a6ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؛ با R=aR=aادامهٔ فرمول را افقی ببین نسبت R/3a/6=2\frac{R/3}{a/6}=2ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود. گزینه‌های «11ادامهٔ فرمول را افقی ببین»، «33ادامهٔ فرمول را افقی ببین» و «44ادامهٔ فرمول را افقی ببین» از محاسبهٔ نادرستِ یکی از دو نسبت می‌آیند. تلهٔ تستی: VS\frac VSادامهٔ فرمول را افقی ببین کره (R3\frac R3ادامهٔ فرمول را افقی ببین) دو برابرِ مکعب (a6\frac a6ادامهٔ فرمول را افقی ببین) است؛ فرمول‌های حجم و سطحِ هر دو را جدا حساب کن نه سرانگشتی.

2. یک استوانک (نیم‌کره‌ای به همان شعاع روی استوانه) به شعاع RRادامهٔ فرمول را افقی ببین و ارتفاع استوانه hhادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم. مساحت کل این جسم کدام است؟

  • 3πR2+2πRh3\pi R^{2} + 2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 2πR2+2πRh2\pi R^{2} + 2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 3πR2+2πR(h+R)3\pi R^{2} + 2\pi R(h + R)ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 4πR2+2πRh4\pi R^{2} + 2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«3πR2+2πRh3\pi R^{2} + 2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین» درست است زیرا سطحِ کلِ استوانک برابرِ رویهٔ نیم‌کره (2πR22\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین) + سطحِ جانبیِ استوانه (2πRh2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین) + قاعدهٔ پایین (πR2\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین) است که 3πR2+2πRh3\pi R^2+2\pi Rhادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود. گزینه‌های دیگر یا قاعدهٔ مشترک را اشتباه شمرده‌اند یا رویهٔ کرهٔ کامل گذاشته‌اند. تلهٔ تستی: قاعدهٔ بالای استوانه زیرِ نیم‌کره پنهان است و شمرده نمی‌شود، ولی قاعدهٔ پایین (πR2\pi R^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین) جزوِ سطح است.

3. مستطیلی به ابعاد aaادامهٔ فرمول را افقی ببین و bbادامهٔ فرمول را افقی ببین (a<ba < bادامهٔ فرمول را افقی ببین) را ابتدا حول ضلع aaادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌چرخانیم (حجم V1V_1ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و سپس حول ضلع bbادامهٔ فرمول را افقی ببین (حجم V2V_2ادامهٔ فرمول را افقی ببین). نسبت V1V2\frac{V_1}{V_2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین کدام است؟

  • ba\frac{b}{a}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • a2b2\frac{a^{2}}{b^{2}}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • b2a2\frac{b^{2}}{a^{2}}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • ab\frac{a}{b}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«ba\frac{b}{a}ادامهٔ فرمول را افقی ببین» درست است زیرا دوران حول aaادامهٔ فرمول را افقی ببین استوانه‌ای با شعاع bbادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌دهد (V1=πb2aV_1=\pi b^2 aادامهٔ فرمول را افقی ببین) و حول bbادامهٔ فرمول را افقی ببین استوانه‌ای با شعاع aaادامهٔ فرمول را افقی ببین (V2=πa2bV_2=\pi a^2 bادامهٔ فرمول را افقی ببین)؛ نسبت πb2aπa2b=ba\frac{\pi b^2a}{\pi a^2b}=\frac baادامهٔ فرمول را افقی ببین. گزینه‌های a2b2\frac{a^2}{b^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین و b2a2\frac{b^2}{a^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین از توانِ اشتباه و ab\frac abادامهٔ فرمول را افقی ببین از وارونه است. تلهٔ تستی: محورِ دوران ارتفاع می‌شود و ضلعِ دیگر شعاع؛ چون شعاع به توانِ دو می‌رود، نسبت ba\frac baادامهٔ فرمول را افقی ببین (نه b2a2\frac{b^2}{a^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین) در می‌آید.

4. از یک دایره به شعاع 99ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر، یک بخش با زاویه 120∘120^{\circ}ادامهٔ فرمول را افقی ببین بریده و به شکل مخروط درمی‌آوریم. حجم این مخروط کدام است؟

  • 18π218\pi\sqrt{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 9π29\pi\sqrt{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 27π227\pi\sqrt{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 36π236\pi\sqrt{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«18π218\pi\sqrt{2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین» درست است زیرا R=120360×9=3R=\frac{120}{360}\times9=3ادامهٔ فرمول را افقی ببین، h=92−32=72=62h=\sqrt{9^2-3^2}=\sqrt{72}=6\sqrt2ادامهٔ فرمول را افقی ببین و V=13π(9)(62)=182πV=\frac13\pi(9)(6\sqrt2)=18\sqrt2\piادامهٔ فرمول را افقی ببین. گزینه‌های دیگر از اشتباه در RRادامهٔ فرمول را افقی ببین، hhادامهٔ فرمول را افقی ببین یا ضریبِ 13\frac13ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌آیند. تلهٔ تستی: شعاعِ قطاع (99ادامهٔ فرمول را افقی ببین) همان ارتفاعِ جانبیِ مخروط است، نه شعاعِ قاعده؛ RRادامهٔ فرمول را افقی ببین را از θ360×l\frac{\theta}{360}\times lادامهٔ فرمول را افقی ببین بیاب.

5. کره‌ای به شعاع 1010ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر را با صفحه‌ای به فاصله 66ادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر از مرکز آن برش می‌دهیم. مساحت سطح مقطع حاصل کدام است؟

  • 36π36\piادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 80π80\piادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 100π100\piادامهٔ فرمول را افقی ببین
  • 64π64\piادامهٔ فرمول را افقی ببین

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«64π64\piادامهٔ فرمول را افقی ببین» درست است زیرا شعاعِ مقطع r=R2−d2=102−62=8r=\sqrt{R^2-d^2}=\sqrt{10^2-6^2}=8ادامهٔ فرمول را افقی ببین و مساحتش πr2=64π\pi r^2=64\piادامهٔ فرمول را افقی ببین. «100π100\piادامهٔ فرمول را افقی ببین» مقطعِ گذرنده از مرکز، «36π36\piادامهٔ فرمول را افقی ببین» با d2d^2ادامهٔ فرمول را افقی ببین اشتباه، و «80π80\piادامهٔ فرمول را افقی ببین» نادرست است. تلهٔ تستی: شعاعِ مقطع از فیثاغورس R2−d2\sqrt{R^2-d^2}ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌دست می‌آید؛ فاصلهٔ صفحه (ddادامهٔ فرمول را افقی ببین) را با شعاعِ کره اشتباه نگیر.

نمونه سؤال تشریحی

۳ سؤال امتحانی با پاسخ نمونه — برای دیدن بزن

۱. الف) حجم کره‌ای به شعاع ۳ سانتی‌متر را بر حسب ππادامهٔ فرمول را افقی ببین بیابید. ب) توضیح دهید اگر شعاع دو برابر شود، حجم چند برابر می‌شود.

پاسخ نمونه

پاسخ کامل: الف) V=43πr3=43π(27)=36πV=\frac43πr^3=\frac43π(27)=36πادامهٔ فرمول را افقی ببین سانتی‌متر مکعب است. ب) حجم با مکعب شعاع تغییر می‌کند؛ دو برابرشدن شعاع حجم را 23=82^3=8ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر می‌کند، نه دو برابر.
کجا بخوانم: در «۳.۱ فرمول‌های کلیدی»
نکته مهم: فرمول را با اندازهٔ داده‌شده تطبیق دهید؛ شعاع، ارتفاع عمودی و ارتفاع جانبی نقش‌های متفاوت دارند و یکای پاسخ نیز باید توان‌دار باشد.

۲. الف) مساحت رویهٔ کره‌ای به شعاع ۵ متر را بیابید. ب) پیش‌بینی کنید اگر شعاع نصف شود مساحت چه نسبتی پیدا می‌کند و چرا تغییر مساحت با تغییر شعاع یکسان نیست؟

پاسخ نمونه

پاسخ کامل: الف) S=4πr2=4π(25)=100πS=4πr^2=4π(25)=100πادامهٔ فرمول را افقی ببین متر مربع است. ب) مساحت با مربع شعاع متناسب است؛ شعاع نصف شود، مساحت به (1/2)2=1/4(1/2)^2=1/4ادامهٔ فرمول را افقی ببین مقدار اولیه می‌رسد.
کجا بخوانم: در «۲.۴ کشف فرمول مساحت رویه کره (آزمایش فعالیت کتاب)»
نکته مهم: فرمول را با اندازهٔ داده‌شده تطبیق دهید؛ شعاع، ارتفاع عمودی و ارتفاع جانبی نقش‌های متفاوت دارند و یکای پاسخ نیز باید توان‌دار باشد.

۳. الف) حجم نیم‌کره‌ای به شعاع ۶ را با ππادامهٔ فرمول را افقی ببین بنویسید. ب) توضیح دهید چرا سطح خمیدهٔ نیم‌کره نصف سطح کره است اما مساحت کل آن نصف نیست.

پاسخ نمونه

پاسخ کامل: الف) حجم نیم‌کره نصف حجم کره است: V=12×43π(63)=144πV=\frac12×\frac43π(6^3)=144πادامهٔ فرمول را افقی ببین. ب) سطح کل نیم‌کره علاوه بر سطح خمیده، دایرهٔ قاعده را هم دارد؛ بنابراین مساحت کل آن از نصف مساحت کره بیشتر است.
کجا بخوانم: در «۳.۲ فرمول‌های نیم‌کره»
نکته مهم: فرمول را با اندازهٔ داده‌شده تطبیق دهید؛ شعاع، ارتفاع عمودی و ارتفاع جانبی نقش‌های متفاوت دارند و یکای پاسخ نیز باید توان‌دار باشد.

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

با ثبت‌نام رایگان، به بانک کامل سؤال، شبیه‌ساز کنکور و تحلیل پیشرفت دسترسی داری

ثبت‌نام رایگان