Một hình lăng trụ gọi là nội tiếp một hình trụ nếu hai đáy của hình lăng trụ nội tiếp hai đường tròn đáy của hình trụ. Khi đó, ta còn nói hình trụ ngoại tiếp h×nh l¨ng trô.
Ta có định nghĩa :
Diện tích xung quanh của hình trụ là giới hạn của diện tích xung quanh của hình lăng trụ đều nội tiếp hình trụ đó khi số cạnh đáy tăng lên vô hạn.
Thể tích của khối trụ (còn gọi là thể tích của hình trụ) là giới hạn của thể tích của hình lăng trụ đều nội tiếp hình trụ đó khi số cạnh
đáy tăng lên vô hạn.
Cho hình trụ C có chiều cao h và bán kính R. Giả sử H là một hình lăng trụ đều nội tiếp hình trụ C (h.45). Gọi S là diện tích xung quanh của hình lăng trụ H và V là thể tích của khối lăng trụ H.
H×nh 44
51 Ta biết rằng S = p.h, trong đó p là chu vi đáy của
lăng trụ H, và V = Sđáy.h, trong đó Sđáy là diện tích
đáy của hình lăng trụ H. Ta lại biết rằng khi số cạnh
đáy của hình lăng trụ H tăng lên vô hạn thì chu vi p và diện tích Sđáy lần l−ợt có giới hạn là chu vi và diện tích của hình tròn đáy của hình trụ C .
VËy ta cã :
Diện tích xung quanh của hình trụ bằng chu vi đáy nhân với chiều cao.
Thể tích của khối trụ bằng diện tích đáy nhân với chiều cao.
Ví dụ 2. Cho hình trụ C có bán kính R, trục OO' bằng 2R và mặt cầu (S) có đ−ờng kính OO' (h.46).
a) Hãy so sánh diện tích mặt cầu và diện tích xung quanh của hình trụ.
b) Hãy so sánh diện tích mặt cầu và diện tích toàn phần của hình trụ (diện tích toàn phần của hình trụ là tổng diện tích xung quanh và diện tích hai đáy của nó).
c) Hãy so sánh thể tích của khối trụ C và khối cầu (S).
Giải
a) Dễ thấy rằng diện tích của mặt cầu và diện tích xung quanh của hình trụ bằng nhau và bằng 4R2.
b) Diện tích toàn phần của hình trụ bằng 4R2+ 2R2= 6R2. Vậy diện tích mặt cầu bằng 2
3 diện tích toàn phần của hình trụ.
c) Thể tích của khối cầu là V S 43 R3. Thể tích của khối trụ là V C = R2.2R 2 R3.
Vậy thể tích của khối cầu bằng 2
3 thể tích của khối trụ. ■
H×nh 45
H×nh 46
E m H ã y l μ m t h ử !
Cắt mặt xung quanh của hình trụ (tức hình trụ bỏ đi hai đáy) theo một đường sinh rồi trải ra trên một mặt phẳng thì
ta đ−ợc một hình chữ nhật có một cạnh bằng đ−ờng sinh l và cạnh kia bằng chu vi đường tròn đáy. Khi đó, diện tích hình chữ nhật bằng diện tích xung quanh của hình trụ (h.47).
B μ i đ ọ c t h ê m
Giao tuyến elip của mặt trụ tròn xoay vμ mặt phẳng
Cho mặt trụ tròn xoay T có trục là và bán kính R. Xét giao của T với một mp().
Ta biết rằng :
Nếu () vuông góc với thì giao là một đ−ờng tròn có bán kính R.
Nếu () song song với thì giao có thể là hai đ−ờng sinh, một đ−ờng sinh hoặc là tập rỗng.
Bây giờ, giả sử () là mặt phẳng cắt nh−ng không vuông góc với (h.48). Ta hãy xem giao của () và T là hình gì ?
Ta hãy lấy một mặt cầu bán kính R bỏ vào mặt trụ từ trên xuống cho đến khi nó dừng lại vì tiếp xúc với mp(). Nh− vậy là ta có mặt cầu S(O1 ; R) tiếp xúc với mọi đ−ờng sinh của mặt trụ T và tiếp xúc với mp() tại điểm F1. Hiển nhiên các tiếp điểm của mặt cầu S(O1 ; R) với các đ−ờng sinh luôn nằm trên đ−ờng tròn (C1) là giao tuyến của mặt trụ với mp(P1) vuông góc với tại O1. T−ơng tự, ta lấy một mặt cầu khác cũng có bán kính R để vào trong mặt trụ từ phía d−ới và đẩy lên cho nó tiếp xúc với mp().
Nh− vậy, ta có mặt cầu S(O2 ; R) tiếp xúc với mọi Hình 48 H×nh 47
53
đ−ờng sinh của C và tiếp xúc với mp() tại điểm F2.Các tiếp điểm của mặt cầu này với các đ−ờng sinh luôn nằm trên đ−ờng tròn (C2) là giao tuyến của mặt trụ C với mp(P2) vuông góc với tại O2.
Giả sử M là một điểm thuộc () C. Vì M nằm trên () nên MF1 tiếp xúc với mặt cầu S(O1 ; R) tại F1 và MF2tiếp xúc với mặt cầu S(O2 ; R) tại F2. Vì M nằm trên C nên có
đường sinh của C đi qua M. Giả sử đường sinh đó cắt các đường tròn (C1) và (C2) lần l−ợt tại M1 và M2 thìMM1 và MM2 lần l−ợt là tiếp tuyến của mặt cầu S(O1 ; R) và S(O2 ; R). Từ đó ta có MF1 = MM1 và MF2 = MM2, do đó
MF1 + MF2 = MM1 + MM2 = M1M2 = O1O2.
Như vậy, () C là đường elip nằm trên (), có các tiêu điểm là F1, F2 và độ dài trục lớn bằng O1O2.
Tóm lại : Nếu cắt mặt trụ tròn xoay bởi một mặt phẳng cắt trục vμ không vuông góc với trục của mặt trụ thì giao tuyến lμ một đ−ờng elip.
Câu hỏi và bài tập
11. Chứng minh rằng hình tròn xoay có vô số mặt phẳng đối xứng.
12. Trong mỗi tr−ờng hợp sau, gọi tên hình tròn xoay :
a) Sinh bởi ba cạnh của một hình chữ nhật khi quay quanh đ−ờng thẳng chứa cạnh thứ t− ;
b) Sinh bởi một hình chữ nhật (kể cả điểm trong) khi quay quanh đ−ờng thẳng chứa một cạnh.
13. Cho đ−ờng tròn (O ; R) nằm trong mặt phẳng (P). Tìm tập hợp các điểm M trong không gian sao cho hình chiếu của chúng trên (P) luôn nằm trên
đường tròn đã cho.
14. Chứng minh rằng các tiếp tuyến của mặt cầu song song với một đ−ờng thẳng cố định luôn nằm trên một mặt trụ xác định.
15. Mặt phẳng đi qua trục của một hình trụ, cắt hình trụ theo thiết diện là hình vuông cạnh 2R.
a) Tính diện tích xung quanh và diện tích toàn phần của hình trụ.
b) Tính thể tích của khối trụ.
c) Tính thể tích khối lăng trụ tứ giác đều nội tiếp hình trụ.
16. Một hình trụ có bán kính R và chiều cao R 3.
a) Tính diện tích xung quanh và diện tích toàn phần của hình trụ.
b) Tính thể tích của khối trụ.
c) Cho hai điểm A và B lần lượt nằm trên hai đường tròn đáy sao cho góc giữa AB và trục của hình trụ bằng 30o. Tính khoảng cách giữa AB và trục của hình trụ.
mặt nón, hình nón v μ khối nón