Mathematics

الدوران — المضلعات المنتظمة — الزوايا — الهندسة في الفضاء الهندسة في الفضاء

المقاطع المستوية للمجسمات المألوفة

🔊 The teacher reads for you
حين تقطع حبة بطاطا أو قالب جبن بسكين في خط واحد، يظهر لك على موضع القطع سطح مستو له شكل معين. فما هو شكل هذا السطح في كل مجسم، وهل يمكن معرفته قبل أن نقطع؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تعريف المقطع المستوي لمجسم وتسميته
  • استعمال التعامد والتوازي في الفضاء لتبرير مقطع
  • تحديد طبيعة مقطع متوازي المستطيلات وأسطوانة ومخروط وهرم
  • تحديد طبيعة مقطع كرة أو جلة بمستو، وحساب نصف قطره
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • نظرية فيثاغورس في مثلث قائم
  • حساب مساحة مستطيل ومساحة قرص
  • معنى التوازي والتعامد بين مستقيمين في المستوي
في كل هذا الدرس، السؤال واحد لا يتغير: أين يمر المستوي بالنسبة إلى المجسم؟ غيّر موضع المستوي يتغير المقطع، وابق على موضعه يبق المقطع من الطبيعة نفسها.

معارف — المقطع المستوي، وأداتان من الفضاء

تقاطع مستو مع مجسم يسمى مقطعا مستويا لهذا المجسم. فالمقطع ليس شيئا نضيفه إلى المجسم، بل هو ما يشترك فيه المجسم والمستوي: السطح الذي يظهر لنا عند القطع.

المقطع المستوي
(C) = (P) ∩ (V)
Cالمقطع المستويPالمستوي القاطعVالمجسم المقطوع
الجزء المظلل وحده هو المقطع: ما اشترك فيه المجسم والمستوي.

ويحتاج هذا الدرس إلى أداتين من هندسة الفضاء. الأولى: إذا كان مستقيم عموديا على مستو، فإنه يعامد كل مستقيم محتوى في هذا المستوي، مهما كان اتجاهه.

مستقيم عمودي على مستو
(D) ⊥ (P) , (Δ) ⊂ (P) ⟹ (D) ⊥ (Δ)
Dمستقيم عمودي على المستويPالمستويΔأي مستقيم محتوى في المستوي

والثانية: نقول عن مستقيمين في الفضاء إنهما متوازيان إذا كانا محتويين في مستو واحد ولم يلتقيا. فالتوازي في الفضاء يشترط شرطين لا شرطا واحدا.

مستقيمان متوازيان في الفضاء
(D) ⊂ (P) , (Δ) ⊂ (P) , (D) ∩ (Δ) = ∅
العمودي على المستوي عمودي على كل مستقيماته، لا على واحد منها فقط.

معارف — مقطع متوازي المستطيلات

إذا كان المستوي القاطع موازيا لأحد أوجه متوازي المستطيلات، فإن المقطع مستطيل له بعدا ذلك الوجه نفسهما: لا يتغير شيء إلا موضع المستطيل داخل المجسم.

مقطع مواز لوجه
a' = a , b' = b
aطول الوجه الموازي للمستوي(cm)bعرض الوجه الموازي للمستوي(cm)a'طول المقطع(cm)b'عرض المقطع(cm)

وإذا كان المستوي موازيا لأحد حروف المجسم، فإن المقطع مستطيل كذلك، لكن الذي نعرفه عنه بالتأكيد هو أحد بعديه فقط: ذلك الحرف.

مقطع مواز لحرف
a' = L
Lطول الحرف الذي يوازيه المستوي(cm)

وفي الحالتين، ما دام المقطع مستطيلا فمساحته جداء بعديه، كأي مستطيل.

مساحة المقطع المستطيل
S = a' × b'
Sمساحة المقطع(cm²)a'طول المقطع(cm)b'عرض المقطع(cm)
في الحالتين المقطع مستطيل، وما يتغير هو ما نعرفه من بعديه.

معارف — مقطع الأسطوانة

إذا قطعنا أسطوانة دورانية بمستو مواز لقاعدتها، كان المقطع قرصا من طبيعة القاعدة نفسها ونصف قطرها نفسه: كأننا نسخنا القاعدة وحركناها إلى أعلى.

مقطع مواز للقاعدة
r' = r
rنصف قطر قاعدة الأسطوانة(cm)r'نصف قطر القرص المقطع(cm)

وإذا قطعناها بمستو مواز لمحورها، كان المقطع مستطيلا أحد بعديه ارتفاع الأسطوانة. أما البعد الآخر فيتوقف على موضع المستوي، ولا نعرفه إلا في حالة واحدة: إذا كان المستوي يحتوي المحور، فإنه يقطع القاعدة على قطر كامل، فيكون البعد الآخر هو القطر.

أحد بعدي المقطع الموازي للمحور
a' = h
hارتفاع الأسطوانة(cm)
مساحة المقطع القرصي
S = π × r'²
Sمساحة المقطع(cm²)r'نصف قطر القرص المقطع(cm)
مساحة المقطع المار بالمحور
S' = h × d
S'مساحة المقطع المار بالمحور(cm²)hارتفاع الأسطوانة(cm)dقطر قاعدة الأسطوانة(cm)
الموازي للقاعدة يعطي قرصا، والمار بالمحور يعطي مستطيلا.

معارف — مقطع الهرم والمخروط بمستو مواز للقاعدة

مقطع هرم بمستو مواز لقاعدته سطح له طبيعة القاعدة نفسها: إن كانت القاعدة مربعا كان المقطع مربعا، وإن كانت مثلثا كان مثلثا. الطبيعة لا تتغير، وحدها الأبعاد تصغر.

ومقطع مخروط دوراني بمستو مواز لقاعدته قرص مصغر لقاعدته الدائرية: نصف قطره أصغر من نصف قطر القاعدة، وكلما اقترب المستوي من الرأس صغر المقطع أكثر.

مقطع مخروط مواز للقاعدة
r' < r
المقطع نسخة مصغرة من القاعدة: الطبيعة واحدة والأبعاد أصغر.

معارف — مقطع الكرة والجلة: أربع حالات

هنا كل شيء يتوقف على بعد واحد: البعد بين مركز الكرة والمستوي، ونرمز إليه بالطول OH حيث H هو المسقط العمودي للمركز على المستوي. وبمقارنة هذا البعد بنصف القطر نحصل على أربع حالات لا خامسة لها.

الحالة الأولى: المستوي يقطع الكرة
0 < OH < R
Oمركز الكرةHالمسقط العمودي للمركز على المستويRنصف قطر الكرة(cm)

في هذه الحالة يكون المقطع دائرة مركزها H. ولحساب نصف قطرها نأخذ نقطة M من هذه الدائرة: المستقيم الواصل بين المركز والمسقط عمودي على المستوي، والقطعة الواصلة بين المسقط والنقطة محتواة في المستوي، فالمثلث الذي رؤوسه O و H و M قائم في H، وتعطينا نظرية فيثاغورس نصف قطر المقطع.

📜نصف قطر المقطع
HM = √(R² − OH²)
Mنقطة من دائرة المقطعHMنصف قطر دائرة المقطع(cm)
الحالة الثانية: المستوي يمر بالمركز
OH = 0

عندئذ يكون المقطع دائرة لها مركز الكرة نفسه ونصف قطرها نفسه، وهي أكبر مقطع ممكن. أما مقطع الجلة بالمستوي نفسه فهو قرص، لأن الجلة ممتلئة والكرة سطح.

أكبر مقطع ممكن
HM = R
الحالة الثالثة: المستوي مماس للكرة
OH = R

هنا لا يبقى من المشترك بين الكرة والمستوي إلا نقطة واحدة هي المسقط H نفسه، وتسمى نقطة تماس الكرة بالمستوي.

الحالة الرابعة: المستوي لا يلتقي الكرة
OH > R

وأخيرا، إذا كان المسقط خارج الكرة فلا توجد أي نقطة مشتركة بين الكرة والمستوي: لا مقطع أصلا.

الحالات الأربع لمقطع كرة بمستو
البعد بين المركز والمستويموقع المستويطبيعة المقطع
⁦0 < OH < R⁩يقطع الكرةدائرة مركزها H ونصف قطرها HM أصغر من R
⁦OH = 0⁩يمر بمركز الكرةدائرة لها مركز الكرة ونصف قطرها R
⁦OH = R⁩مماس للكرةنقطة واحدة هي H، تسمى نقطة التماس
⁦OH > R⁩لا يلتقي الكرةلا توجد أي نقطة مشتركة
موضع واحد يتغير، وأربع نتائج مختلفة: دائرة، دائرة كبرى، نقطة، ثم لا شيء.
لا تخلط بين مقطع الكرة ومقطع الجلة في الحالة نفسها: مقطع الكرة دائرة، أي خط، ومقطع الجلة قرص، أي سطح ممتلئ. الفرق هو نفسه الفرق بين الكرة والجلة.

طرائق — ما يجب أن تعرف كيف تفعله

طريقة 1: كيف نثبت تعامد مستقيمين في الفضاء؟

لا تحاول قياس الزاوية على الرسم: ابحث عن مستقيم عمودي على مستو، ثم تأكد أن المستقيم الثاني محتوى في ذلك المستوي. عندئذ يكون التعامد نتيجة، لا ملاحظة.

مثال 1: تعامد حرف مع مستقيم من القاعدة

متوازي مستطيلات، حرفه ⁦[AE]⁩ عمودي على مستوي قاعدته ⁦(P)⁩، والنقطة B نقطة أخرى من مستوي القاعدة.

🎯المطلوب: بيّن أن المستقيم ⁦(AE)⁩ عمودي على المستقيم ⁦(AB)⁩.

على الرسم زاوية قائمة واحدة: تلك التي بين الحرف والمستوي. الأخرى تُبرهن.
🔹الخطوة 1: المعطى

المعطى يقول إن الحرف عمودي على المستوي كله، لا على مستقيم واحد منه.

(AE) ⊥ (P)
🔹الخطوة 2: المستقيم محتوى في المستوي

النقطتان A و B كلتاهما من مستوي القاعدة، والمستقيم الذي يشدهما محتوى فيه.

(AB) ⊂ (P)
✅النتيجة: التعامد

المستقيم العمودي على مستو يعامد كل مستقيم محتوى في هذا المستوي، والمستقيم ⁦(AB)⁩ واحد من هذه المستقيمات.

(AE) ⊥ (AB)
هذه الطريقة تنفعك في كل تمرين فضاء تقريبا: عمودي على مستو، ثم مستقيم من المستوي، ثم زاوية قائمة جاهزة لتطبيق فيثاغورس.

طريقة 2: كيف نحسب مساحة مقطع متوازي المستطيلات؟

ابدأ بتحديد ما يوازيه المستوي: وجها أم حرفا. إن كان وجها فبعدا المقطع معلومان مباشرة، وهما بعدا ذلك الوجه، ثم تحسب مساحة مستطيل كالعادة.

مثال 2: مساحة مقطع مواز لوجه

متوازي مستطيلات أبعاده 8 سم و5 سم و3 سم. يقطعه مستو مواز للوجه الذي بعداه 8 سم و5 سم.

🎯المطلوب: حدّد طبيعة المقطع وأحسب مساحته.

🔹الخطوة 1: بعدا المقطع

المستوي مواز لوجه، فالمقطع مستطيل له بعدا ذلك الوجه نفسهما، ولا دخل للبعد الثالث.

a' = 8 cm , b' = 5 cm
🔹الخطوة 2: دستور مساحة المستطيل
S = a' × b'
🔹الخطوة 3: التعويض
S = 8 × 5
✅النتيجة: مساحة المقطع
S = 40 cm²
البعد الثالث (3 سم) لم يدخل في الحساب أبدا: هو الاتجاه الذي يتحرك فيه المستوي، وليس بعدا من أبعاد المقطع.

طريقة 3: كيف نحسب مساحة مقطع أسطوانة؟

اسأل نفسك: هل المستوي مواز للقاعدة أم للمحور؟ في الأولى تحسب مساحة قرص، وفي الثانية مساحة مستطيل. الدستور يتغير بتغير طبيعة المقطع، لا بتغير الأسطوانة.

مثال 3: مقطعان لأسطوانة واحدة

أسطوانة دورانية نصف قطر قاعدتها 3 سم وارتفاعها 10 سم. نقطعها مرة بمستو مواز لقاعدتها، ومرة بمستو يحتوي محورها.

🎯المطلوب: احسب مساحة كل من المقطعين، بأخذ 3,14 قيمة مقربة للعدد π.

🔹الخطوة 1: نصف قطر المقطع الأول

المستوي الأول مواز للقاعدة، فالمقطع قرص له نصف قطر القاعدة نفسه.

r' = 3 cm
🔹الخطوة 2: مساحة القرص
S=π × 3²=9 × π
🔹الخطوة 3: قيمة مقربة للمقطع الأول
S ≈ 28,26 cm²
🔹الخطوة 4: بعدا المقطع الثاني

المستوي الثاني يحتوي المحور، فهو يقطع القاعدة على قطر كامل: بعدا المستطيل هما الارتفاع والقطر.

h = 10 cm , d = 2 × 3 = 6 cm
🔹الخطوة 5: مساحة المستطيل
S' = 10 × 6
✅النتيجة: مساحتا المقطعين
S ≈ 28,26 cm² , S' = 60 cm²
لاحظ أن الارتفاع لم يدخل في مساحة المقطع الأول، ونصف القطر لم يدخل وحده في الثاني: كل مقطع يأخذ من الأسطوانة ما يخصه فقط.

طريقة 4: كيف نقارن مقطع مخروط بقاعدته؟

المقطع الموازي للقاعدة قرص مصغر لها. فإذا عُرف نصف قطره، حسبت مساحته ومساحة القاعدة بالدستور نفسه، ثم قسمت إحداهما على الأخرى: العدد π يُختزل ولا يبقى إلا نسبة العددين.

مثال 4: مقطع مخروط دوراني ومقارنته بالقاعدة

مخروط دوراني نصف قطر قاعدته 6 سم. قطعناه بمستو مواز لقاعدته فتحصلنا على قرص نصف قطره 2 سم.

🎯المطلوب: احسب مساحة المقطع ومساحة القاعدة، ثم قارن بينهما.

على الرسم نصفا قطر فقط: المساحتان والنسبة بينهما تُحسبان.
🔹الخطوة 1: نصف قطر المقطع

المستوي مواز للقاعدة، فالمقطع قرص مصغر لها: الطبيعة لم تتغير، وحده نصف القطر صغر.

r' = 2 cm
🔹الخطوة 2: مساحة المقطع
S=π × 2²=4 × π
🔹الخطوة 3: قيمة مقربة لمساحة المقطع
S ≈ 12,56 cm²
🔹الخطوة 4: مساحة القاعدة
S'=π × 6²=36 × π
🔹الخطوة 5: النسبة بين المساحتين

نقسم مساحة القاعدة على مساحة المقطع، فيُختزل العدد π من البسط والمقام ولا يبقى إلا نسبة العددين.

S'S = 364
✅النتيجة: مقارنة المساحتين

حاصل القسمة يساوي 9، ومعنى ذلك أن مساحة القاعدة تساوي 9 أضعاف مساحة المقطع.

S' = 9 × S
نصف القطر صار ثلاثة أضعاف، والمساحة صارت تسعة أضعاف. هذه العلاقة بين الأبعاد والمساحات هي موضوع درس التكبير والتصغير.

طريقة 5: كيف نحسب نصف قطر مقطع كرة؟

ابدأ بالمثلث: المركز، والمسقط العمودي، ونقطة من دائرة المقطع. هذا المثلث قائم في المسقط دائما، ووتره هو نصف قطر الكرة. ثم طبّق نظرية فيثاغورس.

مثال 5: نصف قطر مقطع كرة بمستو

الكرة ⁦(K)⁩ مركزها O ونصف قطرها 10 سم، ويقطعها المستوي ⁦(P)⁩. النقطة H هي المسقط العمودي للمركز على هذا المستوي، والبعد OH يساوي 6 سم. النقطة M من دائرة المقطع.

🎯المطلوب: احسب نصف قطر دائرة المقطع.

القطعة ⁦[HM]⁩ وحدها بلا قياس على الرسم: هي المطلوب.
🔹الخطوة 1: طبيعة المثلث

القطعة ⁦[OH]⁩ عمودية على المستوي، والقطعة ⁦[HM]⁩ محتواة فيه، فالزاوية بينهما قائمة.

OHM = 90°
🔹الخطوة 2: نظرية فيثاغورس

الوتر في هذا المثلث هو ⁦[OM]⁩، وهو نصف قطر الكرة لأن M نقطة من الكرة.

OM² = OH² + HM²
🔹الخطوة 3: التعويض
10² = 6² + HM²
🔹الخطوة 4: مربع نصف قطر المقطع

نطرح مربع البعد من مربع نصف القطر لنحصل على مربع نصف قطر المقطع.

HM²=100 − 36=64
✅النتيجة: نصف قطر دائرة المقطع
HM = 8 cm
تحقق من جوابك بالمنطق قبل الحساب: نصف قطر المقطع أصغر دائما من نصف قطر الكرة. وإن وجدته أكبر فقد وضعت الوتر في غير مكانه.

طريقة 6: كيف نميّز الحالات الأربع بمقارنة واحدة؟

قارن بعد المستوي عن المركز بنصف القطر، ولا تفعل شيئا آخر قبل ذلك: هذه المقارنة وحدها تقول لك إن كان المقطع دائرة كبرى، أو دائرة أصغر، أو نقطة، أو لا شيء.

مثال 6: أربعة مستويات وكرة واحدة

كرة مركزها O ونصف قطرها 13 سم. أربعة مستويات تبعد عن المركز على الترتيب بـ 0 سم و5 سم و13 سم و20 سم، والنقطة M نقطة من المقطع حين يوجد.

🎯المطلوب: حدّد طبيعة المقطع في كل حالة، وأحسب نصف قطره حين يكون دائرة.

🔹الخطوة 1: المستوي الأول

المستوي الأول يمر بالمركز نفسه، فالمقطع دائرة كبرى: نصف قطرها نصف قطر الكرة.

OH = 0 cm , HM = 13 cm
🔹الخطوة 2: المستوي الثاني

المستوي الثاني بعده أصغر من نصف القطر، فالمقطع دائرة، ونصف قطرها بفيثاغورس.

HM=√(13² − 5²)=√144=12 cm
🔹الخطوة 3: المستوي الثالث

المستوي الثالث بعده يساوي نصف القطر تماما: لا يبقى إلا نقطة تماس واحدة.

OH=13 cm=R
🔹الخطوة 4: المستوي الرابع

والمستوي الرابع بعده أكبر من نصف القطر: لا توجد نقطة مشتركة أصلا.

OH = 20 cm > R
✅النتيجة: نصفا قطر المقطعين الدائريين
HM = 13 cm , HM = 12 cm
ابدأ دائما بالمقارنة قبل الحساب: في حالتين من الأربع لا يوجد ما يُحسب أصلا، ومن يبدأ بفيثاغورس يجد نفسه أمام جذر عدد سالب.
🎓 نحو شهادة التّعليم المتوسّط. يأتي هذا الدرس في سؤال «ما طبيعة المقطع؟ احسب مساحته» لمتوازي مستطيلات أو أسطوانة أو هرم أو مخروط أو كرة مقطوعة بمستوٍ. ثلاثة عناصر جاهزة: ① متوازي المستطيلات والأسطوانة: المقطع بمستوٍ يوازي وجها مستطيل له بعدا ذلك الوجه ؛ ومقطع الأسطوانة بمستوٍ يوازي القاعدة قرص له نصف قطرها، وبمستوٍ يوازي المحور مستطيل أحد بعديه الارتفاع ② الهرم والمخروط: بمستوٍ يوازي القاعدة سطح من طبيعة القاعدة بأبعاد مصغّرة ③ الكرة: يتوقّف المقطع على البعد OH بين المركز والمستوي: دائرة يُحسب نصف قطرها بفيثاغورس، أو دائرة كبرى، أو نقطة تماسّ، أو لا مقطع. ⛔ والخطأ الشائع: الخلط بين مقطع الكرة ومقطع الجلّة ؛ الأوّل دائرة، أي خطّ، والثاني قرص، أي سطح ممتلئ. وخطأ ثانٍ: حساب نصف قطر مقطع الكرة دون المثلّث القائم الذي يربط OH ونصف قطر الكرة ونصف قطر المقطع.
خلاصة: المقطع المستوي لمجسم هو ما يشترك فيه المجسم والمستوي القاطع. ومقطع متوازي المستطيلات بمستو مواز لوجه مستطيل له بعدا ذلك الوجه، وبمستو مواز لحرف مستطيل أحد بعديه ذلك الحرف. ومقطع الأسطوانة بمستو مواز للقاعدة قرص لها نصف قطرها، وبمستو مواز للمحور مستطيل أحد بعديه الارتفاع. ومقطع الهرم أو المخروط بمستو مواز للقاعدة سطح من طبيعة القاعدة بأبعاد مصغرة. أما مقطع الكرة فيتوقف على البعد OH بين المركز والمستوي: دائرة نصف قطرها يُحسب بفيثاغورس، أو دائرة كبرى، أو نقطة تماس، أو لا مقطع أصلا.

Page 1/12

© Madrassati — a lesson written by Madrassati · madrassati.net