В геометрии ключевыми понятиями являются плоскость, точка, прямая и угол. Используя эти термины, можно описать любую геометрическую фигуру. Многогранники обычно описывают через более простые фигуры, которые лежат в одной плоскости, такие как круг, треугольник, квадрат, прямоугольник и т.д. В данной статье мы рассмотрим, что такое параллелепипед, опишем типы параллелепипедов, его свойства, из каких элементов он состоит, а также дадим основные формулы для вычисления площади и объема для каждой разновидности параллелепипеда.
Параллелепипед в трехмерном пространстве - это призма, все стороны которой являются параллелограммами. Соответственно, она может иметь только три пары параллельных параллелограммов или шесть граней.
Чтобы визуализировать параллелепипед, представьте себе обычный стандартный кирпич. Кирпич - хороший пример прямоугольного параллелепипеда, который может представить себе даже ребенок. Другими примерами могут послужить многоэтажные панельные дома, шкафы, контейнеры для хранения пищевых продуктов соответствующей формы и т.д.
Существует всего две разновидности параллелепипедов:
Формулы для каждого частного случая параллелепипеда будут свои.
Для произвольного параллелепипеда верно утверждение, что его объем равен абсолютной величине тройного скалярного произведения векторов трех сторон, исходящих из одной вершины. Однако формулы для вычисления объема произвольного параллелепипеда не существует.
Для прямоугольного параллелепипеда действуют следующие формулы:
Еще одним частным случаем параллелепипеда, в котором все стороны - квадраты, является куб. Если любую из сторон квадрата обозначить буквой a, то для площади поверхности и объема данной фигуры можно будет использовать следующие формулы:
Последняя рассматриваемая нами разновидность параллелепипеда - прямой параллелепипед. В чем разница между прямым параллелепипедом и прямоугольным параллелепипедом, спросите вы. Дело в том, что основанием прямоугольного параллелепипеда может быть любой параллелограмм, а основанием прямого - только прямоугольник. Если обозначить периметр основания, равный сумме длин всех сторон, как Po, а высоту обозначить буквой h, мы имеем право воспользоваться следующими формулами для вычисления объема и площадей полной и боковой поверхностей.
На этом уроке мы дадим определение параллелепипеда, обсудим его строение и его элементы (диагонали параллелепипеда, стороны параллелепипеда и их свойства). А также рассмотрим свойства граней и диагоналей параллелограмма. Далее решим типовую задачу на построение сечения в параллелепипеде.
Тема: Параллельность прямых и плоскостей
Урок: Параллелепипед. Свойства граней и диагоналей параллелепипеда
На этом уроке мы дадим определение параллелепипеда, обсудим его строение, свойства и его элементы (стороны, диагонали).
Параллелепипед образован с помощью двух равных параллелограммов АВСD и А 1 B 1 C 1 D 1 , которые находятся в параллельных плоскостях. Обозначение: АВСDА 1 B 1 C 1 D 1 или АD 1 (рис. 1.).
2. Фестиваль педагогических идей "Открытый урок" ()
1. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) / И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. - 5-е издание, исправленное и дополненное - М.: Мнемозина, 2008. - 288 с.: ил.
Задания 10, 11, 12 стр. 50
2. Постройте сечение прямоугольного параллелепипеда АВСDА1B1C1D1 плоскостью, проходящей через точки:
а) А, С, В1
б) В1, D1 и середину ребра АА1.
3. Ребро куба равно а. Постройте сечение куба плоскостью проходящей через середины трех ребер, выходящих из одной вершины, и вычислите его периметр и площадь.
4. Какие фигуры могут получиться в результате пересечения плоскостью параллелепипеда?
На этом уроке все желающие смогут изучить тему «Прямоугольный параллелепипед». В начале урока мы повторим, что такое произвольный и прямой параллелепипеды, вспомним свойства их противоположных граней и диагоналей параллелепипеда. Затем рассмотрим, что такое прямоугольный параллелепипед, и обсудим его основные свойства.
Тема: Перпендикулярность прямых и плоскостей
Урок: Прямоугольный параллелепипед
Поверхность, составленная из двух равных параллелограммов АВСD и А 1 В 1 С 1 D 1 и четырех параллелограммов АВВ 1 А 1 , ВСС 1 В 1 , СDD 1 С 1 , DАА 1 D 1 , называется параллелепипедом (рис. 1).
Рис. 1 Параллелепипед
То есть: имеем два равных параллелограмма АВСD и А 1 В 1 С 1 D 1 (основания), они лежат в параллельных плоскостях так, что боковые ребра АА 1 , ВВ 1 , DD 1 , СС 1 параллельны. Таким образом, составленная из параллелограммов поверхность называется параллелепипедом .
Таким образом, поверхность параллелепипеда - это сумма всех параллелограммов, из которых составлен параллелепипед.
1. Противоположные грани параллелепипеда параллельны и равны.
(фигуры равны, то есть их можно совместить наложением)
Например:
АВСD = А 1 В 1 С 1 D 1 (равные параллелограммы по определению),
АА 1 В 1 В = DD 1 С 1 С (так как АА 1 В 1 В и DD 1 С 1 С - противоположные грани параллелепипеда),
АА 1 D 1 D = ВВ 1 С 1 С (так как АА 1 D 1 D и ВВ 1 С 1 С - противоположные грани параллелепипеда).
2. Диагонали параллелепипеда пересекаются в одной точке и делятся этой точкой пополам.
Диагонали параллелепипеда АС 1 , В 1 D, А 1 С, D 1 В пересекаются в одной точке О, и каждая диагональ делится этой точкой пополам (рис. 2).
Рис. 2 Диагонали параллелепипеда пересекаются и деляться точкой пересечения пополам.
3. Имеются три четверки равных и параллельных ребер параллелепипеда : 1 - АВ, А 1 В 1 , D 1 C 1 , DC, 2 - AD, A 1 D 1 , B 1 C 1 , BC, 3 - АА 1 , ВВ 1 , СС 1 , DD 1 .
Определение. Параллелепипед называется прямым, если его боковые ребра перпендикулярны основаниям.
Пусть боковое ребро АА 1 перпендикулярно основанию (рис. 3). Это означает, что прямая АА 1 перпендикулярна прямым АD и АВ, которые лежат в плоскости основания. А, значит, в боковых гранях лежат прямоугольники. А в основаниях лежат произвольные параллелограммы. Обозначим, ∠BAD = φ, угол φ может быть любым.
Рис. 3 Прямой параллелепипед
Итак, прямой параллелепипед - это параллелепипед, в котором боковые ребра перпендикулярны основаниям параллелепипеда.
Определение. Параллелепипед называется прямоугольным, если его боковые ребра перпендикулярны к основанию. Основания являются прямоугольниками.
Параллелепипед АВСDА 1 В 1 С 1 D 1 - прямоугольный (рис. 4), если:
1. АА 1 ⊥ АВСD (боковое ребро перпендикулярно плоскости основания, то есть параллелепипед прямой).
2. ∠ВАD = 90°, т. е. в основании лежит прямоугольник.
Рис. 4 Прямоугольный параллелепипед
Прямоугольный параллелепипед обладает всеми свойствами произвольного параллелепипеда. Но есть дополнительные свойства, которые выводятся из определения прямоугольного параллелепипеда.
Итак, прямоугольный параллелепипед - это параллелепипед, у которого боковые ребра перпендикулярны основанию. Основание прямоугольного параллелепипеда - прямоугольник .
1. В прямоугольном параллелепипеде все шесть граней прямоугольники.
АВСD и А 1 В 1 С 1 D 1 - прямоугольники по определению.
2. Боковые ребра перпендикулярны основанию . Значит, все боковые грани прямоугольного параллелепипеда - прямоугольники.
3. Все двугранные углы прямоугольного параллелепипеда прямые.
Рассмотрим, например, двугранный угол прямоугольного параллелепипеда с ребром АВ, т. е. двугранный угол между плоскостями АВВ 1 и АВС.
АВ - ребро, точка А 1 лежит в одной плоскости - в плоскости АВВ 1 , а точка D в другой - в плоскости А 1 В 1 С 1 D 1 . Тогда рассматриваемый двугранный угол можно еще обозначить следующим образом: ∠А 1 АВD.
Возьмем точку А на ребре АВ. АА 1 - перпендикуляр к ребру АВ в плоскости АВВ- 1 , AD перпендикуляр к ребру АВ в плоскости АВС. Значит, ∠А 1 АD - линейный угол данного двугранного угла. ∠А 1 АD = 90°, значит, двугранный угол при ребре АВ равен 90°.
∠(АВВ 1 , АВС) = ∠(АВ) = ∠А 1 АВD= ∠А 1 АD = 90°.
Аналогично доказывается, что любые двугранные углы прямоугольного параллелепипеда прямые.
Квадрат диагонали прямоугольного параллелепипеда равен сумме квадратов трех его измерений.
Примечание. Длины трех ребер, исходящих из одной вершины прямоугольного параллелепипеда, являются измерениями прямоугольного параллелепипеда. Их иногда называют длина, ширина, высота.
Дано: АВСDА 1 В 1 С 1 D 1 - прямоугольный параллелепипед (рис. 5).
Доказать: .
Рис. 5 Прямоугольный параллелепипед
Доказательство:
Прямая СС 1 перпендикулярна плоскости АВС, а значит, и прямой АС. Значит, треугольник СС 1 А - прямоугольный. По теореме Пифагора:
Рассмотрим прямоугольный треугольник АВС. По теореме Пифагора:
Но ВС и AD - противоположные стороны прямоугольника. Значит, ВС = AD. Тогда:
Так как , а , то. Поскольку СС 1 = АА 1 , то что и требовалось доказать.
Диагонали прямоугольного параллелепипеда равны.
Обозначим измерения параллелепипеда АВС как a, b, c (см. рис. 6), тогда АС 1 = СА 1 = В 1 D = DВ 1 =
Передняя стена которого фасадна, а дно горизонтально, но лежит под горизонтом. Перед этим заданием мы на упражнялись в определении и нанесении нефасадных направлений на рисунок и в измерении перспективных сокращений. Анализ . Определим и нарисуем размеры и направления верхней плоскости параллелепипеда. На модели сопоставляем их с высотой или, если это удобнее, с шириной передней стенки. Затем согласно измерению на рисунке делим или умножаем тот размер, с которым мы соизмеряли на модели.
после анализа.
На рисунке модель поставлена так, что ее середина находится прямо перед глазом наблюдателя, на втором изображена модель, подвинутая несколько вправо.
В изображении обеих моделей параллелепипеда продолженные направления DF
и АЕ
, если они определены фасадным карандашом на подложенной бумаге, как в действии № 3 (установление и нанесение), кажутся сближающимися. Перенесенные на рисунок они пересеклись бы в точке, которую мы обозначили буквой H
(главная точка). Проводим через них горизонтальную и вертикальную прямые. Разобрать все явление также теоретически и на рисунке и на модели невозможно. Удобно показать вертикаль, горизонталь и точку их пересечения, главную точку H
, которая лежит прямо перед глазами наблюдателя и к которой сходятся мнимо все нефасадные параллельные прямые горизонтальные, перпендикулярные к фасадной плоскости.
Нужно также указать учащимся на назначение фокусов
. У всех нефасадных горизонтальных параллельных прямых одного и того же направления фокус будет на горизонтали, у нефасадных параллельных того же направления, которые не являются горизонтальными, а уходят вверх, фокус будет над горизонталью. Фокус нефасадных параллельных того же направления, которые уходят наискось вниз, будет над горизонталью. При объяснении удобно начинать с выяснения с учащимися основных названий, а в дальнейшем указать учащимся, как уходят в сторону нефасадные направления, нефасадные горизонтальные, наконец, нефасадные горизонтальные, перпендикулярные к фасадной плоскости.
Когда мы получили перспективное отражение верхней плоскости параллелепипеда, изображаем нижнюю плоскость. С точек Е
и F
опускаем горизонтальные прямые. На них будут вершины СН
и I
. Если желаем изобразить размер LK
по наблюдению, рисуем ВСIСН
на полу мелом, потом параллелепипед отодвинем и искомый размер сопоставим с ВС
. Таким же образом из первоначального положения можем нанести направления ВСН
и CI
. Вертикальная прямая, опущенная из точки Е
, нанесенное (удаляющееся) направление из точки В
и горизонтальная прямая, проходящая, через точку К
, будут пересекаться в точке СН
. Если они не пересекутся в одной точке, значит мы допустили ошибку, которую должны найти и исправить.
Если рисование проведено правильно, направления удаляющихся нефасадных граней будут пересекать друг друга в точке H
, то есть в главной точке, в том случае, если передняя плоскость параллелепипеда фасадна и если весь предмет находится в поле зрения. Если же они не пересекутся там, учащиеся должны обнаружить ошибку и исправить ее. Чтобы избежать ошибки, нужно приучить учащихся с самого начала обучения к сознательной, внимательной и ответственной работе. Поспешная и непродуманная работа сначала и плохая обработка действий таят в себе основы неуспеха.
Надеемся, мы внесли немного ясности как рисовать параллелепипед
с фасадной стороны.
Если учащийся привык правильно перспективно изображать явление, он легко может на правильном рисунке выводить правила, лучше понимать и запоминать теорию, потому что уже на практике дополняет ее личным опытом.
Невозможно, чтобы два ученика, сидящие друг возле друга и наблюдающие одну и ту же модель, видели ее в одинаковой перспективе.
Каждый ученик рисует свою маленькую модель, удобно расположив ее и подложив под нее бумагу так, чтобы передняя сторона модели была фасадной. На бумаге зарисовывается дно модели.
