Graniastosłupy spotykamy na co dzień: pudełko na buty, kostka do gry czy odpowiednio ukształtowane akwarium mogą mieć ich kształt. W tej lekcji nauczysz się rozpoznawać graniastosłupy, obliczać ich pole powierzchni i objętość oraz rozwiązywać zadania podobne do tych z egzaminu ósmoklasisty. Zaczniemy od podstaw, więc materiał przyda się także młodszym uczniom. Starsi mogą wykorzystać go do powtórki wzorów.
- Co to jest graniastosłup?
- Elementy bryły
- Rodzaje graniastosłupów
- Prostopadłościan i sześcian
- Ściany, krawędzie, wierzchołki
- Siatki graniastosłupów
- Pola figur w podstawie
- Pole powierzchni
- Objętość
- Jednostki
- Obliczanie brakujących danych
- Przekątne i Pitagoras
- Przykłady z rozwiązaniem
- Zadania do samodzielnej pracy
- Powtórka wzorów
1. Co to jest graniastosłup?
Przystające oznacza: o takim samym kształcie i wielkości. Równoległe oznacza, że płaszczyzny, na których leżą podstawy, nie przecinają się.
2. Budowa graniastosłupa
- Podstawy – dwie takie same figury wielokątne, położone w równoległych płaszczyznach.
- Ściany boczne – łączą odpowiadające sobie boki obu podstaw.
- Krawędzie podstaw – boki wielokątów, które tworzą podstawy.
- Krawędzie boczne – łączą odpowiadające sobie wierzchołki podstaw.
- Wierzchołki – punkty, w których spotykają się krawędzie.
- Wysokość H – odległość między płaszczyznami podstaw, mierzona prostopadle do nich.
3. Rodzaje graniastosłupów
Ze względu na kształt podstawy
Jeżeli podstawą jest trójkąt – mamy graniastosłup trójkątny; jeśli czworokąt – czworokątny; jeśli pięciokąt – pięciokątny itd. Nazwa zależy od liczby boków jednej podstawy, a nie od liczby wszystkich ścian bryły.
Rysunki schematyczne, nie w skali.
Ze względu na położenie krawędzi bocznych
- Graniastosłup prosty – krawędzie boczne są prostopadłe do podstaw, a ściany boczne są prostokątami.
- Graniastosłup pochyły – krawędzie boczne nie są prostopadłe do podstaw; jego ściany boczne są równoległobokami.
Graniastosłup prawidłowy
To graniastosłup prosty, którego podstawą jest wielokąt foremny (ma wszystkie boki i wszystkie kąty równe). Przykład: graniastosłup prawidłowy czworokątny ma w podstawie kwadrat.
Przykład: graniastosłup prawidłowy czworokątny ma kwadratowe podstawy i prostokątne ściany boczne.
4. Szczególne przypadki graniastosłupów: prostopadłościan i sześcian
Wśród graniastosłupów prostych wyróżniamy dwie szczególnie ważne bryły: prostopadłościan i sześcian. Spotykamy je na co dzień, dlatego warto umieć je rozpoznać i znać ich wzory.
Prostopadłościan
Jego trzy wymiary oznaczamy zazwyczaj literami a, b, c (długość, szerokość i wysokość). Możemy wybrać prostokątną podstawę o bokach a i b, a wtedy wysokość H = c.
Prostopadłościan: wszystkie ściany są prostokątami. Linie przerywane oznaczają krawędzie niewidoczne.
Pole powierzchni całkowitej: trzy różne prostokąty występują po dwa razy, więc
Objętość: pole podstawy mnożymy przez wysokość:
Przykład. Prostopadłościan ma wymiary 2 cm, 3 cm i 5 cm. Jego objętość wynosi V = 2 · 3 · 5 = 30 cm3, a pole całkowite Pc = 2 · 2 · 3 + 2 · 2 · 5 + 2 · 3 · 5 = 62 cm2.
Sześcian
Sześcian: wszystkie 12 krawędzi ma długość a, a każda ściana jest kwadratem.
Pole powierzchni całkowitej: liczymy pole jednego kwadratu i mnożymy przez sześć:
Objętość: mnożymy trzy równe wymiary:
Przykład. Krawędź sześcianu ma 4 cm. Wtedy Pc = 6 · 42 = 96 cm2, a V = 43 = 64 cm3.
| Cecha | Prostopadłościan | Sześcian |
|---|---|---|
| Ściany | 6 prostokątów | 6 kwadratów |
| Długości krawędzi | Mogą być różne: a, b, c | Wszystkie równe: a |
| Pole całkowite | 2ab + 2ac + 2bc | 6a2 |
| Objętość | abc | a3 |
5. Ile graniastosłup ma ścian, krawędzi i wierzchołków?
Nie trzeba za każdym razem liczyć wszystkiego na rysunku. Wystarczy znać liczbę boków wielokąta w podstawie, którą oznaczamy n.
| Element | Wzór | Dlaczego? |
|---|---|---|
| Wierzchołki W | W = 2n | Po n wierzchołków w każdej z dwóch podstaw. |
| Krawędzie K | K = 3n | n w dolnej podstawie + n w górnej + n bocznych. |
| Ściany S | S = n + 2 | n ścian bocznych + 2 podstawy. |
Przykład. W graniastosłupie pięciokątnym n = 5, więc: W = 2 · 5 = 10, K = 3 · 5 = 15, S = 5 + 2 = 7.
6. Siatki graniastosłupów
Siatka to płaski układ wielokątów, z którego po odpowiednim złożeniu otrzymamy bryłę. W siatce graniastosłupa prostego są dwie przystające podstawy i prostokątne ściany boczne.
Rysunki poglądowe: w rzeczywistej siatce długości boków sąsiadujących figur muszą do siebie pasować.
Siatka nie musi zawsze wyglądać tak samo. Najważniejsze, by figury miały odpowiednie wymiary i mogły złożyć się w bryłę bez nakładania.
- Znajdź dwie jednakowe podstawy.
- Policz ściany boczne: musi ich być tyle, ile boków ma podstawa.
- Sprawdź, czy szerokości ścian bocznych odpowiadają długościom kolejnych boków podstawy.
- Wyobraź sobie składanie – czy nic na siebie nie nachodzi?
7. Pola figur w podstawie – przypomnienie
Aby obliczyć pole lub objętość graniastosłupa, najpierw często trzeba obliczyć pole jego podstawy.
| Figura w podstawie | Pole Pp | Co oznaczają litery? |
|---|---|---|
| Kwadrat | a2 | a – bok kwadratu |
| Prostokąt | a · b | a, b – długości boków |
| Trójkąt | a · h2 | a – bok, h – wysokość opuszczona na ten bok |
| Równoległobok | a · h | a – bok, h – odpowiadająca mu wysokość |
| Romb | e · f2 | e, f – przekątne rombu |
| Trapez | (a + b) · h2 | a, b – równoległe podstawy trapezu, h – jego wysokość |
| Sześciokąt foremny | 3a2√32 | a – bok; wzór dodatkowy do powtórki |
8. Pole powierzchni graniastosłupa
Pole powierzchni mówi, jaką łączną powierzchnię mają wszystkie ściany bryły. Zawsze podajemy je w jednostkach kwadratowych, np. cm2, dm2, m2.
Pc – pole powierzchni całkowitej; Pp – pole jednej podstawy; Pb – pole powierzchni bocznej.
Dlaczego 2Pp? Bo graniastosłup ma dwie jednakowe podstawy.
Pole boczne graniastosłupa prostego
W graniastosłupie prostym każda ściana boczna jest prostokątem. Najłatwiej zacząć od obliczenia pola każdego z nich, a następnie dodać wyniki.
Sposób 1 — liczymy każdą ścianę osobno:
Sposób 2 — krócej: wszystkie prostokąty mają tę samą wysokość H. Możemy więc dodać długości ich podstaw (otrzymamy obwód podstawy graniastosłupa), a następnie pomnożyć przez H.
Op to obwód jednej podstawy, a H to wysokość graniastosłupa.
Mini-przykład. Cztery ściany boczne mają kolejno wymiary 3 × 5, 4 × 5, 3 × 5 i 4 × 5 cm. Ich pola wynoszą 15, 20, 15 i 20 cm². Razem: Pb = 70 cm². Krótsza metoda: (3 + 4 + 3 + 4) · 5 = 70 cm².
Przykład: prostopadłościan
Prostopadłościan ma wymiary a = 4 cm, b = 3 cm i H = 6 cm.
- Pole podstawy: Pp = 4 · 3 = 12 cm2.
- Obwód podstawy: Op = 2 · 4 + 2 · 3 = 14 cm.
- Pole boczne: Pb = 14 · 6 = 84 cm2.
- Pole całkowite: Pc = 2 · 12 + 84 = 108 cm2.
Można też skorzystać bezpośrednio ze wzoru na prostopadłościan: Pc = 2ab + 2aH + 2bH.
9. Objętość graniastosłupa
Objętość mówi, ile miejsca zajmuje bryła. W odróżnieniu od pola powierzchni podajemy ją w jednostkach sześciennych: cm3, dm3, m3.
V – objętość; Pp – pole podstawy; H – wysokość bryły.
Ten wzór działa dla każdego graniastosłupa, prostego i pochyłego, gdy H oznacza prostopadłą odległość między podstawami.
Przykład. Graniastosłup ma podstawę w kształcie kwadratu o boku 5 cm i wysokość 9 cm.
Pp = 5 · 5 = 25 cm2, więc V = 25 · 9 = 225 cm3.
Wzory szczególne
| Bryła | Objętość | Pole całkowite |
|---|---|---|
| Prostopadłościan o bokach a, b, c | V = abc | Pc = 2(ab + ac + bc) |
| Sześcian o krawędzi a | V = a3 | Pc = 6a2 |
| Graniastosłup prawidłowy czworokątny, bok podstawy a, wysokość H | V = a2H | Pc = 2a2 + 4aH |
10. Jednostki pola i objętości
To jeden z najczęstszych powodów błędów. Najpierw sprowadź wszystkie długości do tej samej jednostki, dopiero potem podstaw do wzoru.
| Długość | Pole | Objętość |
|---|---|---|
| 1 dm = 10 cm | 1 dm2 = 100 cm2 | 1 dm3 = 1000 cm3 |
| 1 m = 10 dm | 1 m2 = 100 dm2 | 1 m3 = 1000 dm3 |
| 1 m = 100 cm | 1 m2 = 10 000 cm2 | 1 m3 = 1 000 000 cm3 |
Przykład. Akwarium o wymiarach wewnętrznych 50 cm × 30 cm × 40 cm ma objętość 50 · 30 · 40 = 60 000 cm3 = 60 litrów. To jego pojemność geometryczna do wysokości 40 cm, bez uwzględnienia dekoracji i wolnej przestrzeni nad wodą.
11. Jak znaleźć brakującą wysokość lub pole podstawy?
Nie musimy zapamiętywać nowych wzorów. Wystarczy znać V = Pp · H, podstawić dane i rozwiązać proste równanie.
Objętość wynosi 360 cm³, a pole podstawy 45 cm².
- Zapisujemy wzór: V = Pp · H.
- Podstawiamy liczby: 360 = 45 · H.
- Dzielimy obie strony przez 45: H = 360 : 45 = 8 cm.
Objętość wynosi 180 cm³, a wysokość 9 cm.
- Zapisujemy wzór: V = Pp · H.
- Podstawiamy liczby: 180 = Pp · 9.
- Dzielimy obie strony przez 9: Pp = 180 : 9 = 20 cm².
Podobnie, gdy znamy pole całkowite, możemy podstawić dane do równania Pc = 2Pp + Pb i obliczyć brakującą wielkość.
12. Przekątne i twierdzenie Pitagorasa
W prostopadłościanie możemy rozróżnić przekątną ściany i przekątną bryły. To nie jest to samo!
Dla prostokątnej ściany o bokach a i H z twierdzenia Pitagorasa:
Dla prostopadłościanu o krawędziach a, b, c przekątna bryły D spełnia:
Skąd drugi wzór? Najpierw liczymy przekątną podstawy: d2 = a2 + b2. Następnie D2 = d2 + c2. Łącząc obie równości, otrzymujemy podany wzór.
13. Przykłady rozwiązane krok po kroku
Przykład A. Graniastosłup trójkątny
Podstawą graniastosłupa prostego jest trójkąt prostokątny o przyprostokątnych 6 cm i 8 cm. Wysokość graniastosłupa wynosi 12 cm. Oblicz objętość i pole całkowite.
- Pole podstawy: Pp = (6 · 8) : 2 = 24 cm2.
- Objętość: V = 24 · 12 = 288 cm3.
- Trzeci bok trójkąta: c2 = 62 + 82 = 36 + 64 = 100, czyli c = 10 cm.
- Obwód podstawy: Op = 6 + 8 + 10 = 24 cm.
- Pole boczne: Pb = 24 · 12 = 288 cm2.
- Pole całkowite: Pc = 2 · 24 + 288 = 336 cm2.
Przykład B. Malowanie pojemnika bez pokrywy
Pojemnik w kształcie prostopadłościanu nie ma pokrywy. Jego długość wynosi 80 cm, szerokość 50 cm, a wysokość 40 cm. Jaką powierzchnię zewnętrzną trzeba pomalować, jeśli malujemy dno i cztery ściany boczne?
- Pole dna: 80 · 50 = 4000 cm2.
- Dwie dłuższe ściany: 2 · 80 · 40 = 6400 cm2.
- Dwie krótsze ściany: 2 · 50 · 40 = 4000 cm2.
- Razem: 4000 + 6400 + 4000 = 14 400 cm2 = 1,44 m2.
Przykład C. Ile litrów wody?
Do akwarium o wymiarach podstawy 60 cm × 25 cm nalano wodę do wysokości 30 cm. Ile to litrów?
- Pole podstawy: 60 · 25 = 1500 cm2.
- Objętość wody: 1500 · 30 = 45 000 cm3.
- Zamiana na litry: 45 000 : 1000 = 45 l.
14. Zadania do samodzielnej pracy
Najpierw spróbuj samodzielnie. Rozwiązanie każdego zadania otworzysz po kliknięciu. Zadania są ułożone od łatwiejszych do trudniejszych, ale wszystkie pozostają na poziomie szkoły podstawowej.
Poziom 1 Rozpoznawanie brył i podstawowe obliczenia
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Poziom 2 Pola, objętość i jednostki
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Poziom 3 Zadania egzaminacyjne i wieloetapowe
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
Pokaż rozwiązanie
15. Najważniejsze wzory – szybka powtórka
| Co liczymy? | Wzór |
|---|---|
| Pole całkowite każdego graniastosłupa | Pc = 2Pp + Pb |
| Pole boczne graniastosłupa prostego | Pb = Op · H |
| Objętość każdego graniastosłupa | V = Pp · H |
| Wysokość z objętości | H = V : Pp |
| Objętość prostopadłościanu | V = abc |
| Pole prostopadłościanu | Pc = 2(ab + ac + bc) |
| Objętość sześcianu | V = a3 |
| Pole sześcianu | Pc = 6a2 |
| Przekątna prostokątnej ściany o bokach a i b | d2 = a2 + b2 |
| Przekątna prostopadłościanu | D2 = a2 + b2 + c2 |
- rozpoznać graniastosłup, jego podstawy, wysokość i ściany boczne;
- określić liczbę ścian, krawędzi i wierzchołków;
- rozpoznać i narysować poprawną siatkę;
- obliczyć pole podstawy, pole boczne, pole całkowite i objętość;
- zamieniać jednostki pola i objętości, także na litry;
- wyznaczyć brakującą wysokość z podanej objętości;
- zastosować twierdzenie Pitagorasa do przekątnych;
- rozwiązać zadanie tekstowe i ustalić, które ściany lub jaki fragment bryły liczymy.
Wskazówka: w zadaniach z geometrii przestrzennej zacznij od rysunku i wypisania danych. Zaznacz innym kolorem podstawę, wysokość i szukaną wielkość. Jednostkę dopisz do wyniku – cm2 dla pola, cm3 dla objętości.