Правильная трехгранная пирамида. Пирамида

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Когда мы встречаем слово «пирамида», то ассоциативная память уносит нас в Египет. Если говорить о ранних памятниках архитектуры, то можно утверждать, что количество их не менее нескольких сотен. Арабский писатель XIII века сказал: «Все на свете боится времени, а время боится пирамид». Пирамиды - это единственное из семи чудес света чудо, дожившее до нашего времени, до эпохи компьютерных технологий. Однако исследователям до сих пор не удалось найти ключи ко всем их загадкам. Чем больше мы узнаем о пирамидах, тем больше у нас возникает вопросов. Пирамиды представляют интерес для историков, физиков, биологов, медиков, философов и др. Они вызывают большой интерес и побуждает к более глубокому изучению их свойств как с математической, так и с других точек зрения (исторической, географической и др.).

Поэтому целью нашего исследования стало изучение свойств пирамиды с разных точек зрения. В качестве промежуточных целей мы определили: рассмотрение свойств пирамиды с точки зрения математики, изучение гипотез о существовании тайн и загадок пирамиды, а также возможностей её применения.

Объектом исследования в данной работе является пирамида.

Предмет исследования: особенности и свойства пирамиды.

Задачи исследования:

Изучить научно - популярную литературу по теме исследования.

Рассмотреть пирамиду как геометрическое тело.

Определить свойства и особенности пирамиды.

Найти материал, подтверждающий применение свойств пирамиды в различных областях науки и техники.

Методы исследования: анализ, синтез, аналогия, мысленное моделирование.

Предполагаемым результатом работы должна стать структурированная информация о пирамиде, её свойствах и возможностях применения.

Этапы подготовки проекта :

Определение темы проекта, целей и задач.

Изучение и собирание материала.

Составление плана проекта.

Формулировка ожидаемого результата деятельности над проектом, в том числе усвоение нового материала, формирование знаний, умений и навыков в предметной деятельности.

Оформление результатов исследования.

Рефлексия

Пирамида как геометрическое тело

Рассмотрим истоки слова и термина «пирамида ». Сразу стоит отметить, что «пирамида» или «pyramid» (английский), «piramide» (французский, испанский и славянские языки), “pyramide” (немецкий) - это западный термин, берущий свой исток в древней Греции. В древнегреческом πύραμίς («пирамис » и мн. ч. Πύραμίδες «пирамидес ») имеет несколько значений. Древние греки именовали «пирамис » пшеничный пирог, который напоминал форму египетских сооружений. Позже это слово стало означать «монументальную структуру с квадратной площадью в основании и с наклонными сторонам, встречающимися на вершине. Этимологический словарь указывает, что греческое «пирамис» происходит из египетского «pimar». Первое письменное толкование слова «пирамида» встречается в Европе в 1555 г. и означает: «один из видов древних сооружений королей». После открытия пирамид в Мексике и с развитием наук в 18 веке, пирамида стала не просто древним памятников архитектуры, но и правильной геометрической фигурой с четырьмя симметричными сторонами (1716 г.). Начало геометрии пирамиды было положено в Древнем Египте и Вавилоне, однако активное развитие получило в Древней Греции. Первый, кто установил, чему равен объем пирамиды, был Демокрит а доказал Евдокс Книдский.

Первое определение принадлежит древнегреческому математику, автору дошедших до нас теоретических трактатов по математике, Евклиду. В XII томе своих «Начал» он определяет пирамиду как телесную фигуру, ограниченную плоскостями, которые от одной плоскости (основания) сходятся в одной точке (вершине). Но это определение подвергалось критике уже в древности. Так Герон предложил следующее определение пирамиды: «Это фигура, ограниченная треугольниками, сходящимися в одной точке и основанием которой служит многоугольник».

Существует определение французского математика Адриена Мари Лежандра, который в 1794 году в своем труде «Элементы геометрии» пирамиду определяет так: «Пирамида - телесная фигура образованная треугольниками, сходящимися в одной точке и заканчивающаяся на различных сторонах плоского основания».

Современные словари трактуют термин «пирамида» следующим образом:

Анализируя определения пирамиды, можно заключить, что все источники имеют схожие формулировки:

Пирамида - многогранник, основание которого многоугольник, а остальные грани - треугольники, имеющие общую вершину . По числу углов основания различают пирамиды треугольные, четырехугольные и т. д.

Многоугольник А 1 А 2 А 3 … Аn - основание пирамиды, а треугольники РА 1 А 2 , РА 2 А 3 , …, РАnА 1 - боковые грани пирамиды, Р - вершина пирамиды, отрезки РА 1 , РА 2 ,…, РАn - боковые ребра.

Перпендикуляр, проведенный из вершины пирамиды к плоскости основания, называется высотойh пирамиды.

Помимо произвольной пирамиды, существуют правильная пирамида, в основании которой правильный многоугольник и усеченная пирамида.

Площадью полной поверхности пирамиды называется сумма площадей всех ее граней. Sполн = S бок + S осн, где S бок - сумма площадей боковых граней.

Объём пирамиды находится по формуле: V=1/3S осн.h, где S осн. - площадь основания, h - высота.

К свойствам пирамиды относятся:

Когда все боковые ребра имеют одинаковую величину, тогда около основания пирамиды легко описать окружность, при этом вершина пирамиды будет проецироваться в центр этой окружности; боковые ребра образуют с плоскостью основания одинаковые углы; кроме того, верно и обратное, т.е. когда боковые ребра образуют с плоскостью основания равные углы, либо когда около основания пирамиды можно описать окружность и вершина пирамиды будет проецироваться в центр этой окружности, значит, все боковые ребра пирамиды имеют одинаковую величину.

Когда боковые грани имеют угол наклона к плоскости основания одной величины, тогда около основания пирамиды легко описать окружность, при этом вершина пирамиды будет проецироваться в центр этой окружности; высоты боковых граней имеют равную длину; площадь боковой поверхности равняется половине произведения периметра основания на высоту боковой грани.

Пирамида называется правильной , если в её основании правильный многоугольник, а вершина проецируется в центр основания. Боковые грани правильной пирамиды - равные, равнобедренные треугольники (рис.2а). Осью правильной пирамиды называется прямая, содержащая её высоту. Апофема - высота боковой грани правильной пирамиды, проведённая из её вершины.

Площадь боковой грани правильной пирамиды выражается так: Sбок. =1/2P h, где Р - периметр основания, h - высота боковой грани (апофема правильной пирамиды). Если пирамида пересечена плоскостью A’B’C’D’, параллельной основанию, то боковые рёбра и высота делятся этой плоскостью на пропорциональные части; в сечении получается многоугольник A’B’C’D’, подобный основанию; площади сечения и основания относятся как квадраты их расстояний от вершины.

Усечённая пирамида получается отсечением от пирамиды её верхней части плоскостью, параллельной основанию (рис.2б). Основания усеченной пирамиды - подобные многоугольники ABCD и A`B`C`D`, боковые грани - трапеции. Высота усеченной пирамиды - расстояние между основаниями. Объем усеченной пирамиды находится по формуле: V=1/3 h (S + + S’), где S и S’- площади оснований ABCD и A’B’C’D’, h - высота.

Основания правильной усеченной n-угольной пирамиды - правильные n-угольники. Площадь боковой поверхности правильной усеченной пирамиды выражается так: Sбок. = ½(P+P’)h, где P и P’- периметры оснований, h - высота боковой грани (апофема правильной усеченной пирамиды)

Сечения пирамиды плоскостями, проходящими через её вершину, представляют собой треугольники. Сечение, проходящее через два несоседних боковых ребра пирамиды, называется диагональным сечением. Если сечение проходит через точку на боковом ребре и сторону основания, то его следом на плоскость основания пирамиды будет эта сторона. Сечение, проходящее через точку, лежащую на грани пирамиды, и заданный след сечения на плоскость основания, то построение надо проводить так: находят точку пересечения плоскости данной грани и следа сечения пирамиды и обозначают её; строят прямую проходящую через заданную точку и полученную точку пересечения; повторяют эти действия и для следующих граней.

Прямоугольнаяпирамида - это пирамида, в которой одно из боковых рёбер перпендикулярно основанию. В этом случае, это ребро и будет высотой пирамиды (рис.2в).

Правильная треугольная пирамида - это пирамида, основанием которой является правильный треугольник, а вершина проецируется в центр основания. Частным случаем правильной треугольной пирамиды является тетраэдр . (рис.2а)

Рассмотрим теоремы, связывающие пирамиду с другими геометрическими телами.

Сфера

Около пирамиды можно описать сферу тогда, когда в основании пирамиды лежит многоугольник, вокруг которого можно описать окружность (необходимое и достаточное условие). Центром сферы будет точка пересечения плоскостей, проходящих через середины рёбер пирамиды перпендикулярно им. Из этой теоремы следует, что как около любой треугольной, так и около любой правильной пирамиды можно описать сферу; В пирамиду можно вписать сферу тогда, когда биссекторные плоскости внутренних двугранных углов пирамиды пересекаются в одной точке (необходимое и достаточное условие). Эта точка будет центром сферы.

Конус

Конус называется вписанным в пирамиду, если вершины их совпадают, а его основание вписано в основание пирамиды. Причём вписать конус в пирамиду можно только тогда, когда апофемы пирамиды равны между собой (необходимое и достаточное условие); Конус называется описанным около пирамиды, когда их вершины совпадают, а его основание описано около основания пирамиды. Причём описать конус около пирамиды можно только тогда, когда все боковые рёбра пирамиды равны между собой (необходимое и достаточное условие); Высоты у таких конусов и пирамид равны между собой.

Цилиндр

Цилиндр называется вписанным в пирамиду, если одно его основание совпадает с окружностью, вписанной в сечение пирамиды плоскостью, параллельной основанию, а другое основание принадлежит основанию пирамиды. Цилиндр называется описанным около пирамиды, если вершина пирамиды принадлежит его одному основанию, а другое его основание описано около основания пирамиды. Причём описать цилиндр около пирамиды можно только тогда, когда в основании пирамиды — вписанный многоугольник (необходимое и достаточное условие).

Очень часто в своих исследованиях учёные используют свойства пирамиды с пропорциями Золотого сечения . Как пользовались соотношениями золотого сечения при построении пирамид мы рассмотрим в следующем параграфе, а здесь же остановимся на определении золотого сечения.

В математическом энциклопедическом словаре даётся следующее определение Золотого сечения - это деление отрезка АВ на две части таким образом, что большая его часть АС является средним пропорциональным между всем отрезком АВ и меньшей его частью СВ.

Алгебраическое нахождение Золотого сечения отрезка АВ = а сводится к решению уравнения а:х = х:(а-х), откуда х приблизительно равно 0,62а. Отношение х можно выразить дробями n/n+1= 0,618, где n - число Фибоначчи, имеющее номер n.

Золотое сечение часто применяется в произведениях искусства, архитектуры, встречается в природе. Яркими примерами являются скульптура Аполлона Бельведерского, Парфенон. При строительстве Парфенона использовалось отношение высоты здания к его длине и это отношение равно 0,618. Окружающие нас предметы также дают примеры Золотого сечения, например, переплеты многих книг тоже имеют отношение ширины и длины близкое к 0,618.

Таким образом, изучив научно - популярную литературу по проблеме исследования мы пришли к выводу, что пирамида - это многогранник, основание которого многоугольник, а остальные грани - треугольники, имеющие общую вершину. Мы рассмотрели элементы и свойства пирамиды, её виды и соотношение с пропорциями Золотого сечения.

2. Особенности пирамиды

Так в Большом энциклопедическом словаре написано, что пирамида - монументальное сооружение, имеющее геометрическую форму пирамиды (иногда ступенчатую или башнеобразную). Пирамидами называли гробницы древнеегипетских фараонов 3-го - 2-го тысячелетий до н. э., а так же постаменты храмов в Центральной и Южной Америке, связанные с космологическими культами. Среди грандиозных пирамид Египта особое место занимает Великая Пирамида фараона Хеопса. Прежде чем приступить к анализу формы и размеров пирамиды Хеопса, следует вспомнить, какой системой мер пользовались египтяне. У египтян было три единицы длины: «локоть» (466 мм), равнявшийся семи «ладоням» (66,5 мм), которая, в свою очередь, равнялась четырем «пальцам» (16,6 мм).

Большинство исследователей сходятся в том, что длина стороны основания пирамиды, например, GF равна L = 233,16 м. Эта величина отвечает почти точно 500 «локтям». Полное соответствие 500 «локтям» будет, если длину «локтя» считать равной 0,4663 м. .

Высота пирамиды (H) оценивается исследователями различно от 146,6 до 148,2 м. И в зависимости от принятой высоты пирамиды изменяются все отношения ее геометрических элементов. В чем причина различий в оценке высоты пирамиды? Дело в том, что пирамида Хеопса является усеченной. Ее верхняя площадка в наши дни имеет размер примерно 10x10 м, а столетие назад она была равна 6x6 м. Очевидно, что вершину пирамиды разобрали, и она не отвечает первоначальной. Оценивая высоту пирамиды, необходимо учитывать такой физический фактор, как осадка конструкции. За длительное время под воздействием колоссального давления (достигающего 500 тонн на 1 м 2 нижней поверхности) высота пирамиды уменьшилась по сравнению с первоначальной высотой. Первоначальную высоту пирамиды можно воссоздать, если найти основную геометрическую идею.

В 1837 г. Английский полковник Г. Вайз измерил угол наклона граней пирамиды: он оказался равным a = 51°51". Эта величина и сегодня признается большинством исследователей. Указанному значению угла отвечает тангенс (tg a), равный 1,27306. Эта величина соответствует отношению высоты пирамиды АС к половине ее основания CB, то есть AC / CB = H / (L / 2) = 2H / L.

И вот здесь исследователей ожидал большой сюрприз! Дело в том, что если взять корень квадратный из золотой пропорции, то мы получим следующий результат = 1,272. Сравнивая эту величину с величиной tg a = 1,27306, мы видим, что эти величины очень близки между собой. Если же принять угол a = 51°50", то есть уменьшить его всего на одну угловую минуту, то величина a станет равной 1,272, то есть совпадет с величиной. Следует отметить, что в 1840 г. Г. Вайз повторил свои измерения и уточнил, что значение угла a =51°50".

Эти измерения привели исследователей к следующей интересной гипотезе: в основу треугольника АСВ пирамиды Хеопса было заложено отношение AC / CB = = 1,272.

Рассмотрим теперь прямоугольный треугольник ABC, в котором отношение катетов AC / CB = . Если теперь длины сторон прямоугольника ABC обозначить через x, y, z, а также учесть, что отношение y/x = , то в соответствии с теоремой Пифагора, длина z может быть вычислена по формуле:

Если принять x = 1, y = , то:

Прямоугольный треугольник, в котором стороны относятся как t::1, называется «золотым» прямоугольным треугольником.

Тогда, если принять за основу гипотезу о том, что основной «геометрической идеей» пирамиды Хеопса является «золотой» прямоугольный треугольник, то отсюда легко можно вычислить «проектную» высоту пирамиды Хеопса. Она равна:

H = (L/2)/= 148,28 м.

Выведем теперь некоторые другие отношения для пирамиды Хеопса, вытекающие из «золотой» гипотезы. В частности найдем отношение внешней площади пирамиды к площади ее основания. Для этого примем длину катета CB за единицу, то есть: CB = 1. Но тогда длина стороны основания пирамиды GF = 2, а площадь основания EFGH будет равна S EFGH = 4.

Вычислим теперь площадь боковой грани пирамиды Хеопса S D . Поскольку высота AB треугольника AEF равна t, то площадь боковой грани будет равна S D = t. Тогда суммарная площадь всех четырех боковых граней пирамиды будет равна 4t, а отношение суммарной внешней площади пирамиды к площади основания будет равно золотой пропорции . Это и есть главная геометрическая тайна пирамиды Хеопса.

А также, при постройке египетских пирамид было установлено, что квадрат, построенный на высоте пирамиды, в точности равен площади каждого из боковых треугольников. Это подтверждается новейшими измерениями.

Мы знаем, что отношение между длиной окружности и её диаметром, есть постоянная величина, хорошо известная современным математикам, школьникам - это число «Пи» = 3,1416… Но если сложить четыре стороны основания пирамиды Хеопса, мы получим 931,22 м. Разделив это число на удвоенную высоту пирамиды (2x148,208), мы получим 3,1416…, то есть число «Пи». Следовательно, пирамида Хеопса - единственный в своем роде памятник, который представляет собой материальное воплощение числа «Пи», играющего важную роль в математике.

Таким образом, наличие в размерах пирамиды золотого сечения - отношение удвоенной стороны пирамиды к её высоте - есть число, очень близкое по значению к числу π. Это, несомненно, тоже особенность. Хотя многие авторы считают, что это совпадение является случайным, поскольку дробь 14/ 11 является «хорошим приближением и для квадратного корня из отношения золотого сечения, и для отношения площадей квадрата и вписанного в него круга» .

Однако говорить здесь только о египетских пирамидах неправильно. Существуют не только египетские пирамиды, на Земле существует целая сеть пирамид. Основные монументы (египетские и мексиканские пирамиды, остров Пасхи и комплекс Стоунхендж в Англии) на первый взгляд бессистемно раскиданы по нашей планете. Но если в исследование включить тибетский комплекс пирамид, то появляется строгая математическая система их расположения на поверхности Земли. На фоне Гималайского хребта четко выделяется пирамидальное образование - гора Кайлас. Расположение г. Кайлас, египетских и мексиканских пирамид очень интересное, а именно - если соединить г. Кайлас с мексиканскими пирамидами, то соединяющая их линия выходит на остров Пасхи. Если соединить г. Кайлас с египетскими пирамидами, то линия их соединения опять выходит на остров Пасхи. Очертилась ровно одна четвертая земного шара. Если соединить мексиканские пирамиды и египетские, то мы увидим два равных треугольника. Если найти их площади, то их сумма равна одной четвертой площади земного шара.

Выявлена бесспорная связь между комплексом тибетских пирамид с другими сооружениями древности - египетскими и мексиканскими пирамидами, колоссами острова Пасхи и комплексом Стоунхендж в Англии. Высота главной пирамиды Тибета - горы Кайлас - составляет 6714 метров. Расстояние от Кайласа до Северного полюса равно 6714 километрам, расстояние от Кайласа до Стоунхенджа - 6714 километров . Если отложить на глобусе от Северного полюса эти 6714 километров, то мы попадем на так называемую Башню Дьявола, имеющую вид усеченной пирамиды. И, наконец, ровно 6714 километров от Стоунхенджа до Бермудскоготреугольника.

В результате этих исследований можно сделать вывод, что на Земле существует пирамидально-географическая система.

Таким образом, к особенностям можно отнести отношение суммарной внешней площади пирамиды к площади основания будет равно золотой пропорции; наличие в размерах пирамиды золотого сечения - отношение удвоенной стороны пирамиды к её высоте - есть число, очень близкое по значению к числу π, т.е. пирамида Хеопса - единственный в своем роде памятник, который представляет собой материальное воплощение числа «Пи»; существование пирамидально-географической системы.

3. Другие свойства и применение пирамиды.

Рассмотрим практичное применение данной геометрической фигуры. Например, голограмма. Для начала рассмотрим, что такое голография. Гологра́фия — набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Голограмма — продукт голографии, объемное изображение, создаваемое с помощью лазера, воспроизводящего изображение трехмерного объекта. С помощью правильной усеченной четырехгранной пирамиды можно воссоздать изображение - голограмму. Создается фото файл и правильная усеченная четырехгранная пирамида из полупрозрачного материла. От крайнего снизу пикселя и среднего относительно оси ординат делается небольшой отступ. Данная точка будет являться серединой стороны квадрата, образованного сечением. Фотография множиться, и ее копии располагаются так же относительно трех других сторон. На квадрат ставиться пирамида сечением вниз так, чтобы оно совпало с квадратом. Монитор генерирует световую волну, каждая из четырех одинаковых фотографий, находясь в плоскости, являющейся проекцией грани пирамиды, попадает на саму грань. В итоге на каждой из четырех граней мы имеем одинаковые изображения, а так как материал, из которого изготовлена пирамида, имеет свойство прозрачности, то волны как бы преломляются, встречаясь в центре. В итоге мы получаем ту же интерференционную картину стоячей волны, центральной осью, или же осью вращения которой служит высота правильной усеченной пирамиды. Такой способ работает и с видеоизображением, так как принцип действия остается неизменным.

Рассматривая частные случаи, можно заметить, что пирамида широко используется в повседневной жизни, даже в домашнем хозяйстве. Пирамидальная форма встречается часто, прежде всего, в природе: растения, кристаллы, молекула метана имеет форму правильной треугольной пирамиды - тетраэдра, элементарная ячейка кристалла алмаза тоже представляет собой тетраэдр, в центре и четырех вершинах которого расположены атомы углерода. Пирамиды встречаются в домашних условиях, детских игрушках. Кнопки, клавиатуры компьютера часто являются подобиями четырехугольной усеченной пирамиды. Их можно увидеть в виде элементов зданий или самих архитектурных построек, как светопрозрачные конструкции крыш.

Рассмотрим ещё некоторые примеры использования термина «пирамида»

Экологические пирамиды — это графические модели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом трофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышением трофического уровня

Информационная пирамида. Она отражает иерархию различных видов информации. Предоставление информации строится по следующей пирамидальной схеме: в вершине - основные показатели, по которым можно однозначно отследить темпы движения предприятия к выбранной цели. Если что-то не так, то можно перейти к среднему уровню пирамиды - обобщенным данным. Они проясняют картину по каждому показателю в отдельности или во взаимосвязи друг с другом. По этим данным можно определить возможное место сбоя или проблемы. За более полной информацией нужно обратиться к основанию пирамиды - детальное описание состояния всех процессов в числовом виде. Эти данные помогают выявить причину проблемы, с тем, чтобы ее можно было устранить и избежать ее повторения в дальнейшем.

Таксономия Блума. Таксономия Блума предлагает классификацию задач в виде пирамиды, устанавливаемых педагогами ученикам, и, соответственно, целей обучения. Она делит образовательные цели на три сферы: когнитивную, аффективную и психомоторную. Внутри каждой отдельной сферы для перехода на более высокий уровень необходим опыт предыдущих уровней, различаемых в данной сфере.

Финансовая пирамида - специфическое явление экономического развития. Название «пирамида» наглядно иллюстрирует ситуацию, когда люди «внизу» пирамиды отдают деньги малочисленной верхушке. При этом каждый новый участник платит, чтобы увеличить возможность своего продвижения наверх пирамиды

Пирамида потребностей Маслоу отражает одну из самых популярных и известных теорий мотивации — теорию иерархии потребностей . Потребности Маслоу распределил по мере возрастания, объяснив такое построение тем, что человек не может испытывать потребности высокого уровня, пока нуждается в более примитивных вещах. По мере удовлетворения низлежащих потребностей, все более актуальными становятся потребности более высокого уровня, но это вовсе не означает, что место предыдущей потребности занимает новая, только когда прежняя удовлетворена полностью.

Ещё один пример применения термина «пирамида» - это пирамида питания - схематическое изображение принципов здорового питания, разработанных диетологами. Продукты, составляющие основание пирамиды, должны употребляться в пищу как можно чаще, в то время, как находящиеся на вершине пирамиды продукты следует избегать или употреблять в ограниченных количествах.

Таким образом, всё вышесказанное показывает разнообразие использования пирамиды в нашей жизни. Возможно, пирамида имеет гораздо более высокую цель, и предназначена для чего-то большего, чем те практические способы её использования, которые сейчас открыты.

Заключение

С пирамидами мы постоянно встречаемся в нашей жизни - это древние Египетские пирамиды и игрушки, которыми играют дети; объекты архитектуры и дизайна, природные кристаллы; вирусы, которые можно рассмотреть только в электронный микроскоп. За многие тысячелетия своего существования, пирамиды превратились в некий символ, олицетворяющий стремление человека достичь вершины знаний.

В ходе исследования, мы определили, что пирамиды - довольно распространенное явление на всем земном шаре.

Мы изучили научно - популярную литературу по теме исследования, рассмотрели различные трактовки термина «пирамида», определили, что в геометрическом понимании пирамида - это многогранник, основание которого многоугольник, а остальные грани - треугольники, имеющие общую вершину. Изучили виды пирамид (правильная, усеченная, прямоугольная), элементы (апофема, боковые грани, боковые ребра, вершина, высота, основание, диагональное сечение) и свойства геометрических пирамид при равенстве боковых ребер и при наклоне боковых граней к плоскости основания под одним углом. Рассмотрели теоремы, связывающие пирамиду с другими геометрическими телами (сфера, конус цилиндр).

К особенностям пирамиды мы отнесли:

отношение суммарной внешней площади пирамиды к площади основания будет равно золотой пропорции;

наличие в размерах пирамиды золотого сечения - отношение удвоенной стороны пирамиды к её высоте - есть число, очень близкое по значению к числу π, т.е. пирамида Хеопса - единственный в своем роде памятник, который представляет собой материальное воплощение числа «Пи»;

существование пирамидально-географической системы.

Мы изучили современное применение данной геометрической фигуры. Рассмотрели, каким образом связаны пирамида и голограмма, обратили внимание на то, что пирамидальная форма встречается чаще всего в природе (растения, кристаллы, молекулы метана, строение решетки алмаза и т.д.). На протяжении исследования мы встречались с материалом, подтверждающим применение свойств пирамиды в различных областях науки и техники, в бытовой жизни людей, при анализе информации, в экономике и ещё во многих направлениях. И пришли к выводу, что возможно, пирамиды имеют гораздо более высокую цель, и предназначены для чего-то большего, чем те практические способы их использования, которые сейчас открыты.

Список литературы.

Ван дер Варден, Бартель Леендерт. Пробуждающаяся наука. Математика Древнего Египта, Вавилона и Греции. [Текст]/ Б. Л. Ван дер Варден — КомКнига, 2007 г.

Волошинов А. В. Математика и искусство. [Текст]/ А. В. Волошинов - Москва: «Просвещение» 2000г.

Всемирная история (энциклопедия для детей). [Текст]/ - М.: “Аванта+”, 1993.

Галограмма. [Электронный ресурс] - https://hi-news.ru/tag/gologramma - статья в интернете

Геометрия [Текст]: Учеб. 10 - 11 кл. для общеобразовательных учреждений Атанасян Л.С., В. Ф.Бутузов и др. - 22-е издание. - М.: Просвещение, 2013 г.

Коппенс Ф. Новая эра пирамид. [Текст]/ Ф. Коппенс - Смоленск: Русич, 2010 г.

Математический энциклопедический словарь. [Текст]/ А. М. Прохоров и др. - М.: Советская энциклопедия, 1988.

Мулдашев Э. Р. Мировая система пирамид и монументов древности спасла нас от конца света, но …[Текст]/ Э. Р. Мулдашев - М.: «АиФ-Принт»; М.: «ОЛМА-ПРЕСС»; СПб.: Издательский Дом «Нева»; 2003.

Перельман Я. И. Занимательная арифметика. [Текст]/ Я. И. Перельман- М.: Центрполиграф, 2017 г

Райхард Г. Пирамиды. [Текст]/ Ганс Райхард - М.: Слово, 1978 г.

Терра-Лексикон. Иллюстрированный энциклопедический словарь. [Текст]/ - М.: ТЕРРА, 1998.

Томпкинс П. Тайны великой пирамиды Хеопса. [Текст]/ Питер Томпкинс. - М.:«Центрополиграф»,2008 г.

Уваров В. Волшебные свойства пирамид. [Текст]/ В. Уваров -Лениздат,2006.

Шарыгин И.Ф.. Геометрия 10-11 класс. [Текст]/ И.Ф. Шарыгин:. - М: «Просвещение», 2000 г.

Яковенко М. Ключ к пониманию пирамиды.[Электронный ресурс] - http://world-pyramids.com/russia/pyramid.html- статья в интернете

Понятие пирамиды

Определение 1

Геометрическая фигура, образованная многоугольником и точкой, не лежащей в плоскости, содержащей этот многоугольник, соединенной со всеми вершинами многоугольника называется пирамидой (рис. 1).

Многоугольник, из которого составлена пирамида, называется основанием пирамиды, получаемые при соединение с точкой треугольники - боковыми гранями пирамиды, стороны треугольников -- сторонами пирамиды, а общая для всех треугольников точка-- вершиной пирамиды.

Виды пирамид

В зависимости от количества углов в основании пирамиды ее можно назвать треугольной, четырехугольной и так далее (рис. 2).

Рисунок 2.

Еще один вид пирамид -- правильная пирамида.

Введем и докажем свойство правильной пирамиды.

Теорема 1

Все боковые грани правильной пирамиды являются равнобедренными треугольниками, которые равны между собой.

Доказательство.

Рассмотрим правильную $n-$угольную пирамиду с вершиной $S$ высотой $h=SO$. Опишем вокруг основания окружность (рис. 4).

Рисунок 4.

Рассмотрим треугольник $SOA$. По теореме Пифагора, получим

Очевидно, что так будет определяться любое боковое ребро. Следовательно, все боковые ребра равны между собой, то есть все боковые грани -- равнобедренные треугольники. Докажем, что они равны между собой. Так как основание -- правильный многоугольник, то основания всех боковых граней равны между собой. Следовательно, все боковые грани равны по III признаку равенства треугольников.

Теорема доказана.

Введем теперь следующее определение, связанное с понятием правильной пирамиды.

Определение 3

Апофемой правильной пирамиды называется высота её боковой грани.

Очевидно, что по теореме один все апофемы равны между собой.

Теорема 2

Площадь боковой поверхности правильной пирамиды определяется как произведение полупериметра основания на апофему.

Доказательство.

Обозначим сторону основания $n-$угольной пирамиды через $a$, а апофему через $d$. Следовательно, площадь боковой грани равна

Так как, по теореме 1, все боковые стороны равны, то

Теорема доказана.

Еще один вид пирамиды -- усеченная пирамида.

Определение 4

Если через обычную пирамиду провести плоскость, параллельную её основанию, то фигура, образованная между этой плоскостью и плоскостью основания называется усеченной пирамидой (рис. 5).

Рисунок 5. Усеченная пирамида

Боковыми гранями усеченной пирамиды являются трапеции.

Теорема 3

Площадь боковой поверхности правильной усеченной пирамиды определяется как произведение суммы полупериметров оснований на апофему.

Доказательство.

Обозначим стороны оснований $n-$угольной пирамиды через $a\ и\ b$ соответственно, а апофему через $d$. Следовательно, площадь боковой грани равна

Так как все боковые стороны равны, то

Теорема доказана.

Пример задачи

Пример 1

Найти площадь боковой поверхности усеченной треугольной пирамиды, если она получена из правильной пирамиды со стороной основания 4 и апофемой 5 путем отсечения плоскостью, проходящей через среднюю линию боковых граней.

Решение.

По теореме о средней линии получим, что верхнее основание усеченной пирамиды равно $4\cdot \frac{1}{2}=2$, а апофема равна $5\cdot \frac{1}{2}=2,5$.

Тогда, по теореме 3, получим

Материал урока.

С пирамидой мы с вами знакомились в курсе геометрии базовой школы. Давайте вспомним, какой многогранник мы назвали пирамидой и основные элементы пирамиды.

Итак, рассмотрим многоугольник A 1 A 2 …A n и точку P, не лежащую в плоскости этого многоугольника. Соединим точку ПЭ отрезками с вершинами многоугольника. В итоге получим n треугольников: PA 1 A 2 , PA 2 A 3 , …, PA n A 1 . Многогранник, составленный из n-угольника A 1 A 2 …A n и этих n треугольников, называется пирамидой.

Многоугольник A 1 A 2 …A n называется основанием пирамиды . Треугольники PA 1 A 2 , PA 2 A 3 , …, PA n A 1 называются боковыми гранями пирамиды . Точка P – вершиной пирамиды , а отрезки PA 1 , PA 2 ,…, PA n – ее боковыми ребрами.

Пирамиду с вершиной P и основанием A 1 A 2 …A n называют n-угольной пирамидой и обозначают так: PA 1 A 2 …A n .

Отрезок, соединяющий вершину пирамиды с плоскостью ее основания и перпендикулярный к этой плоскости, называется высотой пирамиды .

Объединение боковых граней называется боковой поверхностью пирамиды , а объединение всех граней называется полной поверхностью пирамиды . Тогда площадью боковой поверхности пирамиды называется сумма площадей ее боковых граней. А площадью полной поверхности пирамиды называется сумма площадей всех ее граней.

Пирамида в зависимости от того какой многоугольник лежит в основании имеет свое название. Если в основании лежит треугольник, то пирамида называется треугольной. Если четырехугольник – то четырехугольной пирамидой. А если n-угольник, то n-угольной пирамидой.

Решим задачу.

Задача. Основанием пирамиды является ромб, сторона которого равна , а одна из диагоналей равна . Найти длину боковых ребер пирамиды, если высота пирамиды проходит через точку пересечения диагоналей основания и равна .

Решение.

Ответ. , см.

Давайте дадим определение правильной пирамиды.

Пирамида называется правильной , если ее основание – правильный многоугольник, а отрезок, соединяющий вершину пирамиды с центром основания, является ее высотой. Высота боковой грани правильной пирамиды, проведенная из ее вершины, называется апофемой .

На сегодняшнем уроке мы подробно рассмотрим правильные пирамиды.

Сейчас давайте попробуем доказать одно из свойств правильной пирамиды . А именно докажем, что все боковые ребра правильной пирамиды равны, а боковые грани являются равными равнобедренными треугольниками.

Рассмотрим правильную пирамиду PA 1 A 2 …A n . Сначала докажем, что все боковые ребра этой пирамиды равны. Проведем высоту пирамиды.

Поскольку основанием правильной пирамиды является правильный многоугольник, значит, вокруг основания правильной пирамиды можно описать окружность. Тогда каждое боковое ребро пирамиды есть ничто иное, как гипотенуза прямоугольного треугольника, одним катетом которого служит высота PO пирамиды, а другим – радиус описанной около основания окружности. Например, если рассмотреть треугольник OPA 1 , то OP равно h, OA 1 равно R.

Таким образом, мы доказали, что боковые ребра правильной пирамиды равны. А значит, боковые грани правильной пирамиды – это равнобедренные треугольники. Поскольку в основании лежит правильный многоугольник, значит, основания боковых граней равны между собой. То есть боковые грани равны между собой по трем сторонам.

Что и требовалось доказать.

Теперь давайте сформулируем и докажем теорему о площади боковой поверхности правильной пирамиды.

Площадь боковой поверхности правильной пирамиды равна половине произведения периметра основания на апофему.

Доказательство.

Запишем формулу для вычисления площади боковой поверхности правильной пирамиды.

Мы уже доказали, что боковые грани правильной пирамиды – равные равнобедренные треугольники. Высоты этих треугольников равны апофеме пирамиды. Тогда площадь боковой грани находится по формуле .

Подставим эти площади в формулу площади боковой поверхности. Вынесем половину апофемы за скобки, тогда в скобках получим периметр основания.

Пирамида - это многогранник, в основании которого лежит многоугольник. Все грани в свою очередь образуют треугольники, которые сходятся в одной вершине. Пирамиды бывают треугольными, четырехугольными и так далее. Для того чтобы определить, какая пирамида перед вами, достаточно посчитать количество углов в ее основании. Определение "высота пирамиды" очень часто встречается в задачах по геометрии в школьной программе. В статье попробуем рассмотреть разные способы ее нахождения.

Части пирамиды

Каждая пирамида состоит из следующих элементов:

• боковые грани, которые имеют по три угла и сходятся в вершине;
• апофема представляет собой высоту, которая опускается из ее вершины;
• вершина пирамиды - это точка, которая соединяет боковые ребра, но при этом не лежит в плоскости основания;
• основание - это многоугольник, на котором не лежит вершина;
• высота пирамиды представляет собой отрезок, который пересекает вершину пирамиды и образует с ее основанием прямой угол.

Как найти высоту пирамиды, если известен ее объем

Через формулу V = (S*h)/3 (в формуле V - объем, S - площадь основания, h - высота пирамиды) находим, что h = (3*V)/S. Для закрепления материала давайте сразу же решим задачу. В треугольной основания равна 50 см 2 , тогда как ее объем составляет 125 см 3 . Неизвестна высота треугольной пирамиды, которую нам и необходимо найти. Здесь все просто: вставляем данные в нашу формулу. Получаем h = (3*125)/50 = 7,5 см.

Как найти высоту пирамиды, если известна длина диагонали и ее ребра

Как мы помним, высота пирамиды образует с ее основанием прямой угол. А это значит что высота, ребро и половина диагонали вместе образуют Многие, конечно же, помнят теорему Пифагора. Зная два измерения, третью величину найти будет несложно. Вспомним известную теорему a² = b² + c², где а - гипотенуза, а в нашем случае ребро пирамиды; b - первый катет или половина диагонали и с - соответственно, второй катет, или высота пирамиды. Из этой формулы c² = a² - b².

Теперь задачка: в правильной пирамиде диагональ равна 20 см, когда как длина ребра - 30 см. Необходимо найти высоту. Решаем: c² = 30² - 20² = 900-400 = 500. Отсюда с = √ 500 = около 22,4.

Как найти высоту усеченной пирамиды

Она представляет собой многоугольник, который имеет сечение параллельно ее основанию. Высота усеченной пирамиды - это отрезок, который соединяет два ее основания. Высоту можно найти у правильной пирамиды, если будут известны длины диагоналей обоих оснований, а также ребро пирамиды. Пусть диагональ большего основания равна d1, в то время как диагональ меньшего основания - d2, а ребро имеет длину - l. Чтобы найти высоту, можно с двух верхних противоположных точек диаграммы опустить высоты на ее основание. Мы видим, что у нас получились два прямоугольных треугольника, остается найти длины их катетов. Для этого из большей диагонали вычитаем меньшую и делим на 2. Так мы найдем один катет: а = (d1-d2)/2. После чего по теореме Пифагора нам остается лишь найти второй катет, который и является высотой пирамиды.

Теперь рассмотрим все это дело на практике. Перед нами задача. Усеченная пирамида имеет в основании квадрат, длина диагонали большего основания равняется 10 см, в то время как меньшего - 6 см, а ребро равняется 4 см. Требуется найти высоту. Для начала находим один катет: а = (10-6)/2 = 2 см. Один катет равен 2 см, а гипотенуза - 4 см. Получается, что второй катет или высота будет равна 16-4 = 12, то есть h = √12 = около 3,5 см.

Определение

Пирамида – это многогранник, составленный из многоугольника \(A_1A_2...A_n\) и \(n\) треугольников с общей вершиной \(P\) (не лежащей в плоскости многоугольника) и противолежащими ей сторонами, совпадающими со сторонами многоугольника.
Обозначение: \(PA_1A_2...A_n\) .
Пример: пятиугольная пирамида \(PA_1A_2A_3A_4A_5\) .

Треугольники \(PA_1A_2, \ PA_2A_3\) и т.д. называются боковыми гранями пирамиды, отрезки \(PA_1, PA_2\) и т.д. – боковыми ребрами , многоугольник \(A_1A_2A_3A_4A_5\) – основанием , точка \(P\) – вершиной .

Высота пирамиды – это перпендикуляр, опущенный из вершины пирамиды на плоскость основания.

Пирамида, в основании которой лежит треугольник, называется тетраэдром .

Пирамида называется правильной , если в ее основании лежит правильный многоугольник и выполнено одно из условий:

\((a)\) боковые ребра пирамиды равны;

\((b)\) высота пирамиды проходит через центр описанной около основания окружности;

\((c)\) боковые ребра наклонены к плоскости основания под одинаковым углом.

\((d)\) боковые грани наклонены к плоскости основания под одинаковым углом.

Правильный тетраэдр – это треугольная пирамида, все грани которой – равные равносторонние треугольники.

Теорема

Условия \((a), (b), (c), (d)\) эквивалентны.

Доказательство

Проведем высоту пирамиды \(PH\) . Пусть \(\alpha\) – плоскость основания пирамиды.

1) Докажем, что из \((a)\) следует \((b)\) . Пусть \(PA_1=PA_2=PA_3=...=PA_n\) .

Т.к. \(PH\perp \alpha\) , то \(PH\) перпендикулярна любой прямой, лежащей в этой плоскости, значит, треугольники – прямоугольные. Значит, эти треугольники равны по общему катету \(PH\) и гипотенузам \(PA_1=PA_2=PA_3=...=PA_n\) . Значит, \(A_1H=A_2H=...=A_nH\) . Значит, точки \(A_1, A_2, ..., A_n\) находятся на одинаковом расстоянии от точки \(H\) , следовательно, лежат на одной окружности с радиусом \(A_1H\) . Эта окружность по определению и есть описанная около многоугольника \(A_1A_2...A_n\) .

2) Докажем, что из \((b)\) следует \((c)\) .

\(PA_1H, PA_2H, PA_3H,..., PA_nH\) прямоугольные и равны по двум катетам. Значит, равны и их углы, следовательно, \(\angle PA_1H=\angle PA_2H=...=\angle PA_nH\) .

3) Докажем, что из \((c)\) следует \((a)\) .

Аналогично первому пункту треугольники \(PA_1H, PA_2H, PA_3H,..., PA_nH\) прямоугольные и по катету и острому углу. Значит, равны и их гипотенузы, то есть \(PA_1=PA_2=PA_3=...=PA_n\) .

4) Докажем, что из \((b)\) следует \((d)\) .

Т.к. в правильном многоугольнике совпадают центры описанной и вписанной окружности (вообще говоря, эта точка называется центром правильного многоугольника), то \(H\) – центр вписанной окружности. Проведем перпендикуляры из точки \(H\) на стороны основания: \(HK_1, HK_2\) и т.д. Это – радиусы вписанной окружности (по определению). Тогда по ТТП (\(PH\) – перпендикуляр на плоскость, \(HK_1, HK_2\) и т.д. – проекции, перпендикулярные сторонам) наклонные \(PK_1, PK_2\) и т.д. перпендикулярны сторонам \(A_1A_2, A_2A_3\) и т.д. соответственно. Значит, по определению \(\angle PK_1H, \angle PK_2H\) равны углам между боковыми гранями и основанием. Т.к. треугольники \(PK_1H, PK_2H, ...\) равны (как прямоугольные по двум катетам), то и углы \(\angle PK_1H, \angle PK_2H, ...\) равны.

5) Докажем, что из \((d)\) следует \((b)\) .

Аналогично четвертому пункту треугольники \(PK_1H, PK_2H, ...\) равны (как прямоугольные по катету и острому углу), значит, равны отрезки \(HK_1=HK_2=...=HK_n\) . Значит, по определению, \(H\) – центр вписанной в основание окружности. Но т.к. у правильных многоугольников центры вписанной и описанной окружности совпадают, то \(H\) – центр описанной окружности. Чтд.

Следствие

Боковые грани правильной пирамиды – равные равнобедренные треугольники.

Определение

Высота боковой грани правильной пирамиды, проведенная из ее вершины, называется апофемой .
Апофемы всех боковых граней правильной пирамиды равны между собой и являются также медианами и биссектрисами.

Важные замечания

1. Высота правильной треугольной пирамиды падает в точку пересечения высот (или биссектрис, или медиан) основания (основание – правильный треугольник).

2. Высота правильной четырехугольной пирамиды падает в точку пересечения диагоналей основания (основание – квадрат).

3. Высота правильной шестиугольной пирамиды падает в точку пересечения диагоналей основания (основание – правильный шестиугольник).

4. Высота пирамиды перпендикулярна любой прямой, лежащей в основании.

Определение

Пирамида называется прямоугольной , если одно ее боковое ребро перпендикулярно плоскости основания.

Важные замечания

1. У прямоугольной пирамиды ребро, перпендикулярное основанию, является высотой пирамиды. То есть \(SR\) – высота.

2. Т.к. \(SR\) перпендикулярно любой прямой из основания, то \(\triangle SRM, \triangle SRP\) – прямоугольные треугольники.

3. Треугольники \(\triangle SRN, \triangle SRK\) – тоже прямоугольные.
То есть любой треугольник, образованный этим ребром и диагональю, выходящей из вершины этого ребра, лежащей в основании, будет прямоугольным.

\[{\Large{\text{Объем и площадь поверхности пирамиды}}}\]

Теорема

Объем пирамиды равен трети произведения площади основания на высоту пирамиды: \

Следствия

Пусть \(a\) – сторона основания, \(h\) – высота пирамиды.

1. Объем правильной треугольной пирамиды равен \(V_{\text{прав.треуг.пир.}}=\dfrac{\sqrt3}{12}a^2h\) ,

2. Объем правильной четырехугольной пирамиды равен \(V_{\text{прав.четыр.пир.}}=\dfrac13a^2h\) .

3. Объем правильной шестиугольной пирамиды равен \(V_{\text{прав.шест.пир.}}=\dfrac{\sqrt3}{2}a^2h\) .

4. Объем правильного тетраэдра равен \(V_{\text{прав.тетр.}}=\dfrac{\sqrt3}{12}a^3\) .

Теорема

Площадь боковой поверхности правильной пирамиды равна полупроизведению периметра основания на апофему.

\[{\Large{\text{Усеченная пирамида}}}\]

Определение

Рассмотрим произвольную пирамиду \(PA_1A_2A_3...A_n\) . Проведем через некоторую точку, лежащую на боковом ребре пирамиды, плоскость параллельно основанию пирамиды. Данная плоскость разобьет пирамиду на два многогранника, один из которых – пирамида (\(PB_1B_2...B_n\) ), а другой называется усеченная пирамида (\(A_1A_2...A_nB_1B_2...B_n\) ).

Усеченная пирамида имеет два основания – многоугольники \(A_1A_2...A_n\) и \(B_1B_2...B_n\) , которые подобны друг другу.

Высота усеченной пирамиды – это перпендикуляр, проведенный из какой-нибудь точки верхнего основания к плоскости нижнего основания.

Важные замечания

1. Все боковые грани усеченной пирамиды – трапеции.

2. Отрезок, соединяющий центры оснований правильной усеченной пирамиды (то есть пирамиды, полученной сечением правильной пирамиды), является высотой.