Сечения пирамид
Содержание
Сечения пирамид (Задание 15)
Задание 15 - это стереометрическая задача, которая состоит из двух пунктов: доказательства (пункт «а») и вычисления (пункт «б»). По статистике, сечения пирамид - самая частая тема этого задания, она встречается примерно в трети всех вариантов.
В этой теме тебе предстоит строить плоскости внутри объемных фигур, доказывать их свойства (параллельность, перпендикулярность) и находить площади сечений, углы или расстояния.
Суть темы и основные методы
Сечение многогранника - это плоский многоугольник, который получается при пересечении многогранника плоскостью. Вершины этого многоугольника лежат на рёбрах многогранника, а стороны - на его гранях.
Для успешного решения нужно владеть двумя основными подходами:
- Классический метод: использование аксиом и теорем стереометрии, метод следов, дополнительные построения.
- Координатно-векторный метод: введение системы координат, нахождение уравнений плоскостей и координат векторов. Отлично работает в правильных пирамидах, когда сложно «увидеть» нужный угол или расстояние.
Алгоритм построения сечения (Метод следов)
Если ты решаешь задачу классическим методом, тебе нужно правильно построить сечение.
Примеры решения задач
Разберем две типичные задачи из реальных вариантов ЕГЭ: на доказательство перпендикулярности и на использование параллельности при построении.
Условие: В правильном тетраэдре точки и - середины рёбер и соответственно. Плоскость перпендикулярна прямой и пересекает ребро в точке . а) Докажите, что прямая перпендикулярна рёбрам и . б) Найдите площадь сечения тетраэдра плоскостью , если известно, что , .
Пункт а: доказываем перпендикулярность
Рассмотрим треугольник . Отрезки и - это медианы (и высоты) в равных правильных треугольниках и . Следовательно, , и треугольник - равнобедренный с основанием . В этом треугольнике является медианой (так как - середина ). По свойству равнобедренного треугольника, медиана, проведенная к основанию, является высотой. Значит, . Аналогично доказывается, что в равнобедренном треугольнике отрезок является медианой и высотой, откуда .
Пункт б: определяем форму сечения
Плоскость перпендикулярна прямой . Из пункта «а» мы знаем, что прямые и также перпендикулярны . Следовательно, плоскость параллельна скрещивающимся прямым и . Обозначим точки пересечения плоскости с рёбрами , и через , и соответственно. Так как плоскость параллельна , то линии пересечения плоскости с гранями и параллельны . Значит, и . Аналогично, и . В результате сечение - это параллелограмм. Так как скрещивающиеся ребра правильного тетраэдра перпендикулярны (), то и стороны параллелограмма перпендикулярны. - прямоугольник.
Пункт б: находим площадь
Треугольники и подобны граням тетраэдра, то есть они правильные. Из условия , . Тогда , а . Площадь прямоугольника равна .
Ответ: б) .
Условие: В правильной четырёхугольной пирамиде с основанием точка - центр основания пирамиды, точка - середина ребра , точка делит ребро в отношении , а и . а) Докажите, что плоскость параллельна прямой . б) Найдите длину отрезка, по которому плоскость пересекает грань .
Пункт а: средняя линия и признак параллельности
Так как пирамида правильная, - середина диагонали . Точка - середина ребра (по условию). Рассмотрим треугольник . Отрезок соединяет середины сторон и , следовательно, - средняя линия треугольника . По свойству средней линии . Так как прямая лежит в плоскости , то по признаку параллельности прямой и плоскости прямая параллельна плоскости . Что и требовалось доказать.
Пункт б: находим след плоскости на основании
Нужно найти длину отрезка сечения, лежащего в грани . Сначала найдем след плоскости на плоскости основания . Это прямая . Продлим прямую до пересечения с ребром . Пусть это будет точка . Рассмотрим основание (это квадрат). - центр квадрата. Прямая проходит через центр квадрата, значит, треугольники и равны (по стороне и двум прилежащим углам, так как - середина диагонали, а углы накрест лежащие при параллельных прямых). Из равенства треугольников следует, что . По условию , а сторона . Значит, . Следовательно, .
Пункт б: подобие в грани SAD
Теперь вернемся к плоскости . Плоскость пересекает грань по некоторой прямой. Так как плоскость параллельна (из пункта «а»), линия пересечения плоскости и грани должна быть параллельна . Обозначим эту линию как , где лежит на ребре . Значит, . Рассмотрим треугольник . Так как , треугольник подобен треугольнику . Сторона . Отрезок . Коэффициент подобия . Значит, .
Пункт б: вычисляем SA и длину отрезка
Осталось найти длину бокового ребра . В квадрате диагональ . Тогда . В прямоугольном треугольнике по теореме Пифагора:
Подставляем найденное значение:
Ответ: б) .
Частые ошибки
Стратегия на экзамене
За что дают баллы
В задании 15 можно получить максимум 3 первичных балла:
- 3 балла (Максимум): Ты безупречно доказал пункт «а» и получил верный, обоснованный ответ в пункте «б».
- 2 балла:
- Случай 1: Ты полностью и правильно решил только пункт «б» (без использования пункта «а»).
- Случай 2: Ты верно доказал пункт «а», логика пункта «б» абсолютно правильная, но допущена одна досадная арифметическая ошибка (ошибка в вычислениях, а не в формуле или геометрическом факте).
- 1 балл:
- Случай 1: Идеально доказан только пункт «а».
- Случай 2: Пункт «б» решен верно, но в процессе вычислений ты опирался на утверждение из пункта «а», которое не смог доказать.
- 0 баллов: Решение не соответствует ни одному из критериев выше (например, неверный чертеж исказил суть задачи).
Что запомнить
- Сечение строится по граням. Метод следов - твой главный инструмент классического подхода.
- В правильных пирамидах активно используй свойства симметрии, средние линии и подобие треугольников.
- Оформляй доказательство шагами, ссылаясь на конкретные признаки и теоремы школьной программы. Никаких «видно по чертежу».
- Разделяй решение: застрял на доказательстве - переходи к вычислениям, предполагая, что факт доказан. Свой законный 1 балл ты заработаешь.
- Где могут лежать стороны сечения многогранника?
- Сечение пирамиды параллельно основанию и отсекает подобную пирамиду с коэффициентом подобия . Каково отношение объёма отсечённой пирамиды к объёму исходной?
- Секущая плоскость параллельна прямой и пересекает грань, содержащую . Как расположена линия пересечения относительно ?
- Ты не смог доказать пункт «а», но верно решил пункт «б», опираясь на утверждение пункта «а». Сколько баллов дадут за задание 15?