KURS MATURALNY

Ostrosłup z trapezem w podstawie krok po kroku: matura 2020, poziom rozszerzony, zadanie 14

Tego się dowiesz!

Matura 2020, poziom rozszerzony, zadanie 14 (0–6 pkt)

Podstawą ostrosłupa czworokątnego ABCDS jest trapez ABCD (AB ∥ CD). Ramiona tego trapezu mają długości |AD| = 10 i |BC| = 16, a miara kąta ABC jest równa 30°. Każda ściana boczna tego ostrosłupa tworzy z płaszczyzną podstawy kąt α, taki, że tg α = 9/2. Oblicz objętość tego ostrosłupa.

To zadanie za 6 punktów robi wrażenie trudnego, bo w podstawie jest trapez, o którym nie znamy ani jednej podstawy. Sztuka polega na zauważeniu jednej rzeczy: zdanie „każda ściana boczna tworzy z podstawą ten sam kąt” zdradza bardzo dużo o położeniu wierzchołka ostrosłupa. Kiedy to zrozumiesz, reszta to kilka krótkich rachunków. Przechodzę przez wszystko powoli i przy każdym kroku tłumaczę, skąd się bierze.

1Najpierw zrozummy, o czym jest zadanie

Ostrosłup czworokątny ABCDSBryła, której podstawą jest czworokąt ABCD, a wszystkie ściany boczne to trójkąty schodzące się w wierzchołku S.
Trapez ABCD (AB ∥ CD)Czworokąt, w którym boki AB i CD są równoległe. To są podstawy trapezu. Pozostałe dwa boki, AD i BC, to ramiona.
|AD| = 10, |BC| = 16, kąt ABC = 30°Znamy długości obu ramion i kąt przy wierzchołku B, czyli kąt między dłuższą podstawą AB a ramieniem BC.
Kąt między ścianą boczną a podstawąMówi, jak bardzo ściana jest „pochylona”. Wszystkie cztery ściany są pochylone tak samo.
tg α = 9/2Tangens kąta nachylenia. W trójkącie prostokątnym to stosunek przyprostokątnej naprzeciw kąta do przyprostokątnej przy kącie.
Objętość ostrosłupaV = ⅓ · Pₚ · H, gdzie Pₚ to pole podstawy, a H to wysokość ostrosłupa.

2Plan rozwiązania

Objętość liczymy ze wzoru V = ⅓ · Pₚ · H. Potrzebujemy więc pola trapezu i wysokości ostrosłupa. Pole trapezu to (|AB| + |CD|)/2 · h, czyli potrzebujemy wysokości trapezu h i sumy jego podstaw. Wysokość ostrosłupa wyznaczymy z kąta α.

1Liczymy wysokość trapezu h z kąta 30°.
2Rozumiemy, co oznacza jednakowe nachylenie ścian: spodek wysokości to środek okręgu wpisanego w trapez.
3Z warunku wpisania okręgu wyznaczamy sumę podstaw trapezu.
4Wyznaczamy promień okręgu wpisanego.
5Z tangensa kąta α wyznaczamy wysokość ostrosłupa H.
6Liczymy pole podstawy i objętość.

3Krok 1. Wysokość trapezu

Poprowadźmy z wierzchołka C wysokość trapezu na podstawę AB. Powstaje trójkąt prostokątny: przeciwprostokątną jest ramię BC = 16, kąt przy B ma 30°, a wysokość h leży naprzeciw tego kąta.

sin 30° = h16naprzeciw kąta przez przeciwprostokątną
h = 16 · 12 = 8sin 30° = ½
Wysokość trapezu: h = 8.
Dlaczego tak?Sinus kąta ostrego w trójkącie prostokątnym to stosunek przyprostokątnej leżącej naprzeciw kąta do przeciwprostokątnej. Wysokość leży naprzeciw kąta 30°, a ramię BC jest przeciwprostokątną, dlatego używamy sinusa. Można też zauważyć, że w trójkącie z kątem 30° bok naprzeciw tego kąta to połowa przeciwprostokątnej: 16 : 2 = 8.

4Krok 2. Najważniejsza obserwacja: gdzie jest spodek wysokości

Niech O będzie spodkiem wysokości ostrosłupa, czyli punktem podstawy leżącym dokładnie pod wierzchołkiem S. Kąt nachylenia ściany bocznej do podstawy mierzymy w trójkącie prostokątnym SOE, gdzie E to punkt na krawędzi podstawy, do którego prowadzimy odcinek z O prostopadle do tej krawędzi.

αHrOSEściana boczna
Przekrój przez wysokość SO: E to punkt na krawędzi podstawy, w którym okrąg jest styczny do boku. tg α = H : r.

W tym trójkącie wysokość ostrosłupa H leży naprzeciw kąta α, a odcinek OE leży przy kącie. Zatem tg α = H : |OE|, czyli |OE| = H : tg α.

Dlaczego tak?Każda ściana ma taki sam kąt nachylenia α, a wysokość H jest jedna dla całego ostrosłupa. Dlatego dla każdej ściany |OE| = H : tg α wychodzi tak samo. To znaczy, że punkt O jest jednakowo oddalony od wszystkich czterech boków trapezu. Punkt jednakowo oddalony od wszystkich boków wielokąta to środek okręgu wpisanego w ten wielokąt, a ta wspólna odległość to promień r.
Spodek wysokości O jest środkiem okręgu wpisanego w trapez, a |OE| = r.

To bardzo przydatna zasada, która wraca w wielu zadaniach: jeśli wszystkie ściany boczne ostrosłupa są nachylone do podstawy pod tym samym kątem, to w podstawę można wpisać okrąg, a spodek wysokości jest jego środkiem.

5Krok 3. Suma podstaw trapezu

Warunek wpisania okręgu w czworokąt
|AB| + |CD| = |AD| + |BC|

W czworokąt można wpisać okrąg wtedy i tylko wtedy, gdy sumy długości przeciwległych boków są równe.

Dlaczego tak?Z każdego wierzchołka do okręgu prowadzą dwa odcinki styczne i są one równej długości. Każdy bok czworokąta składa się z dwóch takich odcinków. Gdy dodamy dwa przeciwległe boki, dostaniemy po jednym odcinku stycznym z każdego z czterech wierzchołków. To samo wychodzi dla drugiej pary boków, więc obie sumy są równe.
|AB| + |CD| = 10 + 16 = 26suma ramion
Suma podstaw trapezu: |AB| + |CD| = 26.

Zwróć uwagę, że nie musimy znać każdej podstawy osobno. Do pola trapezu potrzebna jest tylko ich suma, a tę mamy od razu.

rh30°ABCDO1016
Okrąg wpisany w trapez. Jego środek O to spodek wysokości ostrosłupa.

6Krok 4. Promień okręgu wpisanego

Okrąg wpisany w trapez jest styczny do obu podstaw, a podstawy są równoległe. Odległość między nimi to wysokość trapezu, a jednocześnie średnica okręgu.

2r = h = 8średnica to odległość między równoległymi podstawami
r = 4
Dlaczego tak?Okrąg dotyka górnej i dolnej podstawy. Odcinek łączący te punkty styczności przechodzi przez środek okręgu i jest prostopadły do podstaw, więc jest jednocześnie średnicą okręgu i wysokością trapezu.

7Krok 5. Wysokość ostrosłupa

Wracamy do trójkąta SOE. Teraz wiemy, że |OE| = r = 4, a tg α = 9/2:

tg α = Hrnaprzeciw kąta przez przy kącie
92 = H4
H = 4 · 92 = 18
Wysokość ostrosłupa: H = 18.

Trygonometria w trójkącie prostokątnym, pola figur i kąty w bryłach to tematy, które w moim kursie „Matematyka od podstaw do matury” mają osobne lekcje. Jeśli przy którymś kroku tego zadania poczułeś, że brakuje Ci podstaw, w kursie przejdziesz przez nie spokojnie, krok po kroku.

Zobacz kurs na Udemy

8Krok 6. Pole podstawy i objętość

Pp = |AB| + |CD|2 · h = 262 · 8 = 104pole trapezu
V = 13 · 104 · 18
V = 104 · 6 = 62418 : 3 = 6
V = 624

9Sprawdzenie: czy taki trapez w ogóle istnieje?

Warto upewnić się, że dane do siebie pasują. Z ramienia AD = 10 i wysokości 8 wychodzi, że ramię AD odchyla się w poziomie o √(100 − 64) = 6. Ramię BC przy kącie 30° odchyla się w poziomie o 16 · cos 30° = 8√3 ≈ 13,86. Różnica podstaw to więc |AB| − |CD| = 6 + 8√3 ≈ 19,86, a ich suma 26. Stąd |AB| ≈ 22,93 i |CD| ≈ 3,07. Obie podstawy są dodatnie, więc taki trapez istnieje, a okrąg da się w niego wpisać. Do rozwiązania te liczby nie były jednak potrzebne.

10Najczęstsze błędy w tym zadaniu

Pierwszy błąd to próba wyznaczenia każdej podstawy osobno, przez co zadanie robi się długie i łatwo pomylić się w rachunkach, choć wystarcza suma podstaw. Drugi to przyjęcie, że spodek wysokości leży w środku przekątnych albo w środku trapezu, zamiast w środku okręgu wpisanego. Trzeci to pomylenie promienia z wysokością trapezu, czyli H = 8 · 9/2 zamiast H = 4 · 9/2. Czwarty to odwrócenie tangensa: tg α = r : H zamiast H : r. Piąty to zapomnienie o ⅓ we wzorze na objętość ostrosłupa.

11Jak zapisać to rozwiązanie na maturze

1. Wysokość trapezu: h = 16 · sin 30° = 8.

2. Wszystkie ściany boczne są nachylone pod tym samym kątem, więc spodek wysokości ostrosłupa jest środkiem okręgu wpisanego w trapez.

3. Okrąg jest wpisany w trapez, więc |AB| + |CD| = |AD| + |BC| = 26.

4. r = h/2 = 4, H = r · tg α = 4 · 9/2 = 18.

5. Pₚ = 26/2 · 8 = 104, V = ⅓ · 104 · 18 = 624.

Odpowiedź: V = 624.

Za to zadanie można było dostać 6 punktów. Najważniejszy jest punkt 2: uzasadnienie, dlaczego spodek wysokości to środek okręgu wpisanego. Zapisz to zdanie wprost, bo bez niego dalsze rachunki tracą podstawę.

Stereometria i trygonometria krok po kroku

To zadanie łączy trygonometrię, własności czworokątów z okręgiem wpisanym i objętość ostrosłupa. W kursie wideo „Matematyka od podstaw do matury” każde z tych narzędzi ma osobną lekcję, a potem ćwiczysz je na zadaniach maturalnych rozwiązywanych krok po kroku. Rozwiązania zadań z matur znajdziesz też za darmo na moim kanale Po prostu Licz.

Powiązane tematy

Kurs wideo krok po krokuMatematyka od podstaw do matury

Facebook
Pinterest
Twitter
LinkedIn

KURS MATURALNY

Uczysz się do matury z matematyki?

Jeśli ten wpis Ci pomógł, ale masz w głowie:

„okej, ten temat ogarniam… ale co z całą resztą?”

to właśnie po to stworzyłam mój kurs maturalny.

Nie musisz skakać po przypadkowych filmach, wpisach i zadaniach ani zastanawiać się, czego uczyć się najpierw.

W kursie przechodzimy przez wszystko krok po kroku:

Najpierw Narzędziownia – czyli podstawy, na których najczęściej wykładają się zadania: ułamki, potęgi, pierwiastki, procenty, logarytmy i inne rzeczy, które „niby były”, ale jakoś nie chcą zostać w głowie.

Potem zadania maturalne – dział po dziale, dokładnie w takim stylu, jaki spotkasz na maturze.

Na końcu arkusze CKE – żebyś nie tylko znał/a teorię, ale umiał/a faktycznie usiąść do arkusza i liczyć.

Ty liczysz. Ja pilnuję, żeby to miało kolejność. 😎

Schemat jest prosty i brutalnie skuteczny:

zrozumienie → praktyka → powtórka → utrwalenie.

Zaczynasz od zera

3–4 miesiące

Masz już podstawy

4–6 tygodni