Корице уџбеника

VII.3. Лопта

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

а)

Географска ширина (\( \varphi \)) је угао између полупречника Земље до тачке и равни екватора. Географска дужина (\( \lambda \)) је угао између равни почетног меридијана и равни меридијана тачке.

б)

\( \varphi = 44^\circ 49' 14'' = 44^\circ + \left(\frac{49}{60}\right)^\circ + \left(\frac{14}{3600}\right)^\circ \approx 44,8206^\circ \) \( r = 6370 \text{ km} \), \( \pi \approx 3,14159 \) Удаљеност од екватора (\( l_1 \)): \( l_1 = \frac{r\pi\varphi}{180^\circ} = \frac{6370 \cdot 3,14159 \cdot 44,8206}{180} \approx 4983 \text{ km} \) Удаљеност од Северног пола (\( l_2 \)): \( \beta = 90^\circ - \varphi = 90^\circ - 44,8206^\circ = 45,1794^\circ \) \( l_2 = \frac{r\pi\beta}{180^\circ} = \frac{6370 \cdot 3,14159 \cdot 45,1794}{180} \approx 5023 \text{ km} \)

Детаљно решење

Разумевање географских координата

Географске координате нам омогућавају да прецизно одредимо положај било које тачке на површини Земље користећи углове у односу на центар Земље.

а) Дефиниције географске ширине и дужине

Географска ширина (\( \varphi \)) је угао који заклапа полупречник Земље повучен до посматране тачке са равни екватора. Она се мери од \( 0^\circ \) (екватор) до \( 90^\circ \) (полови). Тачке северно од екватора имају северну, а јужно од екватора јужну географску ширину. Овај угао се мери дуж меридијана. Географска дужина (\( \lambda \)) је диедарски угао између равни почетног меридијана (Гринич) и равни меридијана који пролази кроз посматрану тачку. Мери се од \( 0^\circ \) до \( 180^\circ \) источно или западно од Гринича. Овај угао се мери дуж екватора (или паралеле).

б) Удаљеност Београда од екватора и Северног пола

Претварање географске ширине у децимални облик

Географска ширина Београда је \( \varphi = 44^\circ 49' 14'' \). Да бисмо израчунали дужину лука, претворићемо минуте и секунде у делове степена: \[ 49' = \left(\frac{49}{60}\right)^\circ \approx 0,8167^\circ \] \[ 14'' = \left(\frac{14}{3600}\right)^\circ \approx 0,0039^\circ \] \[ \varphi = 44^\circ + 0,8167^\circ + 0,0039^\circ = 44,8206^\circ \]

Удаљеност од екватора

Удаљеност тачке на лопти од екватора одговара дужини лука меридијана \( l_1 \) који заклапа централни угао једнак географској ширини \( \varphi \). Формула за дужину лука је: \[ l = \frac{r\pi\alpha}{180^\circ} \] За полупречник Земље \( r = 6370 \text{ km} \) и угао \( \alpha = 44,8206^\circ \), уз \( \pi \approx 3,14159 \), рачунамо: \[ l_1 = \frac{6370 \cdot 3,14159 \cdot 44,8206}{180} \] \[ l_1 \approx 111,18 \cdot 44,8206 \approx 4983 \text{ km} \]

Удаљеност од Северног пола

Северни пол се налази на \( 90^\circ \) северне географске ширине. Угао између Београда и Северног пола (\( \beta \)) износи: \[ \beta = 90^\circ - 44,8206^\circ = 45,1794^\circ \] Дужина лука \( l_2 \) која представља ову удаљеност је: \[ l_2 = \frac{6370 \cdot 3,14159 \cdot 45,1794}{180} \] \[ l_2 \approx 111,18 \cdot 45,1794 \approx 5023 \text{ km} \] Удаљеност Београда од екватора је приближно \( 4983 \text{ km} \), а од Северног пола \( 5023 \text{ km} \).

Кратак запис решења:

\( \varphi = 44,8206^\circ \), \( r = 6370 \text{ km} \) \( l_{ekvator} = \frac{6370 \cdot \pi \cdot 44,8206}{180} \approx 4983 \text{ km} \) \( l_{pol} = \frac{6370 \cdot \pi \cdot (90 - 44,8206)}{180} \approx 5023 \text{ km} \)

Најважније из лекције

Лопта је геометријско тело ограничено сфером. Одређена је центром и полупречником \( r \).

Пресек са равни: Ако је удаљеност равни од центра мања од полупречника, пресек је круг чији се полупречник рачуна као \( r_1 = \sqrt{r^2 - d^2} \). Пресек кроз сам центар је велики круг лопте.

Основне формуле:
  • Површина: \( P = 4r^2\pi \) (површина је једнака површини 4 велика круга)
  • Запремина: \( V = \frac{4}{3}r^3\pi \)
Сфера је скуп свих тачака у простору које су једнако удаљене од неке фиксиране тачке (центра).
Лопта је геометријско тело у простору које је ограничено сфером. Чине је све тачке простора које од центра нису удаљене више од дужине полупречника.
Центар и полупречник сфере су уједно центар и полупречник лопте коју та сфера ограничава. Лопта је ротационо тело јер настаје ротацијом полукруга око свог пречника.
3D илустрација формирања лопте ротацијом полукруга. Приказати полукруг у почетном положају, са хоризонталним пречником који представља осу ротације. Означити средину пречника као центар лопте тачком O. Визуелно приказати ефекат ротације, на пример, употребом провидне сфере или жичаног модела сфере, тако да је почетни полукруг и даље видљив. Оса ротације треба да буде експлицитно означена. Означити полупречник лопте са r, као дуж од центра O до било које тачке на површини лопте.
Шта је пресек равни и лопте зависи од растојања центра лопте од те равни (означимо га са \( d \)) у односу на полупречник лопте (\( r \)).
  • Ако је \( d > r \): пресек је празан скуп (раван не сече лопту).
  • Ако је \( d = r \): пресек је једна тачка. У овом случају раван зовемо тангентна раван, а једину заједничку тачку тачка додира.
  • Ако је \( d < r \): пресек равни и лопте је круг.
  • Специјално, ако је \( d = 0 \): раван пролази кроз центар лопте и пресек је велики круг лопте. Полупречник великог круга једнак је полупречнику саме лопте.
Полупречник пресечног круга (\( r_1 \)) када је \( d < r \) одређује се применом Питагорине теореме на троугао који чине полупречник лопте, полупречник пресека и растојање равни од центра: \[ r_1 = \sqrt{r^2 - d^2} \]
Растојање центра лопте од равни је \( d = 12 \text{ cm} \). Одреди полупречник круга који представља пресек ове равни и лопте ако је полупречник лопте \( r = 13 \text{ cm} \).
Пошто је \( d < r \) (\( 12 < 13 \)), пресек је круг. Користимо Питагорину теорему: \[ r_1 = \sqrt{r^2 - d^2} = \sqrt{13^2 - 12^2} = \sqrt{169 - 144} = \sqrt{25} = 5 \text{ cm} \] Одговор: Полупречник пресечног круга је \( 5 \text{ cm} \).
Површина лопте (односно површина сфере која је ограничава) је тачно четири пута већа од површине њеног великог круга.
\[ P = 4r^2\pi \] где је \( r \) полупречник лопте.
Ако је полупречник лопте \( r = 5,5 \text{ cm} \), онда је површина те лопте: \[ P = 4 \cdot (5,5)^2 \cdot \pi = 4 \cdot 30,25 \cdot \pi = 121\pi \text{ cm}^2 \approx 379,94 \text{ cm}^2 \]
Запремина лопте може се замислити као збир запремина бесконачно много малих пирамида чији се врхови налазе у центру лопте, а чије базе чине површину сфере.
\[ V = \frac{4}{3}r^3\pi \] где је \( r \) полупречник лопте.
Ако је полупречник лопте \( r = 6 \text{ cm} \), онда је запремина те лопте: \[ V = \frac{4}{3} \cdot 6^3 \cdot \pi = \frac{4}{3} \cdot 216 \cdot \pi = 4 \cdot 72 \cdot \pi = 288\pi \text{ cm}^3 \]

Задаци за вежбање

Лак: Израчунај површину и запремину лопте чији је полупречник \( r = 3 \text{ cm} \).
Површина: \[ P = 4r^2\pi = 4 \cdot 3^2 \cdot \pi = 4 \cdot 9 \cdot \pi = 36\pi \text{ cm}^2 \] Запремина: \[ V = \frac{4}{3}r^3\pi = \frac{4}{3} \cdot 3^3 \cdot \pi = \frac{4}{3} \cdot 27 \cdot \pi = 36\pi \text{ cm}^3 \] (Бројевне вредности површине и запремине се поклапају само у случају када је полупречник тачно 3.)
Средњи: Израчунај запремину лопте ако је њена површина \( P = 100\pi \text{ cm}^2 \).
Прво морамо одредити полупречник лопте из дате формуле за површину: \[ 4r^2\pi = 100\pi \] Дељењем са \( 4\pi \) добијамо: \[ r^2 = 25 \implies r = 5 \text{ cm} \] Сада рачунамо запремину користећи добијени полупречник: \[ V = \frac{4}{3}r^3\pi = \frac{4}{3} \cdot 5^3 \cdot \pi = \frac{4}{3} \cdot 125 \cdot \pi = \frac{500\pi}{3} \text{ cm}^3 \]
Тежак: У коцку ивице \( a = 12 \text{ cm} \) уписана је лопта. Израчунај однос површине коцке и површине уписане лопте.
Ако је лопта уписана у коцку, све стране коцке су њене тангентне равни. То значи да је пречник лопте једнак ивици коцке, па је полупречник лопте \( r = \frac{a}{2} = \frac{12}{2} = 6 \text{ cm} \).

Површина коцке: \[ P_k = 6a^2 = 6 \cdot 12^2 = 6 \cdot 144 = 864 \text{ cm}^2 \] Површина лопте: \[ P_l = 4r^2\pi = 4 \cdot 6^2 \cdot \pi = 4 \cdot 36 \cdot \pi = 144\pi \text{ cm}^2 \]
Тражени однос: \[ \frac{P_k}{P_l} = \frac{864}{144\pi} = \frac{6}{\pi} \] Одговор: Однос површине коцке и лопте је \( 6 : \pi \).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: