۱۰۰ هزار تومان هدیهٔ ثبت‌نام، تا ۱ میلیونبا ثبت‌نام گردونهٔ هدیه را بچرخان: دست‌کم ۱۰۰٬۰۰۰ تومان و تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه، بدون کارت بانکیگردونهٔ هدیه۱ میلیون برای تو، ۱ میلیون برای دوستتدوستانت را دعوت کن: برای هر دوستی که فعال شود ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه می‌گیری و خودش هم ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومانجوایز
1xAi
هندسه ۱ · فصل ۴

خلاصه درس فصل ۴ هندسه دهم؛ درسنامه و نکات مهم

«تجسم فضایی»، فصل ۴ کتاب هندسه ۱، صفحهٔ ۷۷ تا ۹۶، پایهٔ دهم: ۵ درس، هر کدام با توضیح مفاهیم، مثال حل‌شده و نکات مهم.

این درسنامه را هوش مصنوعی 1xAi از روی صفحه‌های همان درس در کتاب درسی نوشته است (برچسب «تولید هوش مصنوعی»). کنار توضیح‌ها شمارهٔ صفحهٔ کتاب آمده تا با کتاب مقایسه کنی، و مثال حل‌شدهٔ هر درس یک بار دیگر جداگانه حل و بررسی شده؛ مثالی که درست درنیامده حذف شده است.

نمونه سوال این فصل با جواب

درس ۱ · صفحهٔ ۷۷ تا ۸۳ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس اول: خط، نقطه و صفحه

در این درس یاد می‌گیری وضعیت دو خط، خط و صفحه، و دو صفحه را در فضا تشخیص بدهی و شرط عمود بودن خط بر صفحه را به کار ببری.

پیش از شروع

آیا ممکن است دو خط هرقدر هم ادامه پیدا کنند، نه به هم برسند و نه موازی باشند؟ دو لبهٔ متفاوت یک جعبه را در ذهن امتحان کن!

بله؛ در فضا خط‌هایی داریم که نه یکدیگر را قطع می‌کنند و نه در یک صفحه جا می‌گیرند. به این خط‌ها «متنافر» می‌گوییم؛ پس قاعده‌های شکل‌های روی کاغذ را نباید بدون بررسی به فضا تعمیم بدهیم.

از شکل واقعی تا مدل هندسی

برای تجسم فضایی، اول باید فرق مدل هندسی را با وسیله‌ای که آن را نشان می‌دهد بدانیم. نوک مداد می‌تواند نشانهٔ یک نقطه باشد، اما نقطهٔ هندسی اندازه ندارد. خطی که روی کاغذ می‌کشیم هم فقط بخشی از یک خط راست را نشان می‌دهد؛ خود خط از هر دو طرف ادامه دارد.

سطح میز را نیز می‌توان بخشی از یک صفحه تصور کرد. صفحهٔ هندسی لبه و ضخامت ندارد و در همهٔ جهت‌های خودش ادامه پیدا می‌کند. بنابراین وقتی می‌خواهیم ببینیم دو خط یا دو صفحه به هم می‌رسند، فقط قسمت دیده‌شده در شکل را بررسی نمی‌کنیم؛ امتداد آن‌ها هم مهم است. برای نام‌گذاری یک صفحه می‌توان از سه نقطهٔ غیرهم‌راستای آن، مانند AA، BB و CC، استفاده کرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۷۸

دو خط؛ سه حالت در فضا

دو خط متمایز در یک صفحه یا همدیگر را در یک نقطه قطع می‌کنند، یا موازی‌اند. اگر دو خط کاملاً روی هم بیفتند، آن‌ها را یک خط می‌شماریم.

در فضا یک حالت تازه هم داریم: متنافر. برای تشخیص، اول بپرس: «نقطهٔ مشترک دارند؟» اگر دارند، متقاطع‌اند. اگر ندارند، بپرس: «آیا صفحه‌ای شامل هر دو وجود دارد؟» اگر بله، موازی‌اند؛ اگر نه، متنافرند. پس نرسیدن دو خط به هم، به‌تنهایی نشانهٔ موازی بودن نیست.

دو خط متقاطع و همچنین دو خط موازی متمایز، هر کدام دقیقاً یک صفحه تعیین می‌کنند. اما از یک خط، بی‌شمار صفحه می‌گذرد؛ مثل صفحه‌هایی که با چرخاندن یک برگه دور لبه‌اش تصور می‌کنی. در صفحه و فضا، از یک نقطهٔ بیرون یک خط، فقط یک خط موازی آن می‌گذرد. همچنین دو خط متمایزِ موازی با یک خط، با هم موازی‌اند؛ این نتیجه در فضا هم برقرار است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۷۹

خط نسبت به صفحه

حالا یک مداد را مدل خط و سطح میز را مدل صفحه بگیر. البته در ذهنت هر دو را نامحدود ادامه بده! اگر خط هیچ نقطهٔ مشترکی با صفحه نداشته باشد، موازی صفحه است. اگر فقط یک نقطهٔ مشترک داشته باشند، خط و صفحه متقاطع هستند. اگر خط کاملاً در صفحه باشد، می‌گوییم خط بر صفحه واقع است؛ در این حالت بی‌شمار نقطهٔ مشترک دارند.

پس برای تشخیص وضعیت خط و صفحه، تعداد نقطه‌های مشترک راهنمای خوبی است: هیچ، یکی، یا بی‌شمار. «روی صفحه بودن» را با «موازی صفحه بودن» اشتباه نگیر؛ در تعریف این درس، خط موازی صفحه هیچ نقطه‌ای روی آن ندارد. از یک نقطهٔ بیرون صفحه نیز می‌توان بی‌شمار خط موازی آن صفحه رسم کرد؛ این با موازی رسم کردن با یک خط مشخص فرق دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۰

دو صفحه و فصل مشترک

دو برگهٔ کاغذ را مدل دو صفحه تصور کن. اگر صفحه‌ها حتی با ادامه یافتن هم هیچ نقطهٔ مشترکی نداشته باشند، موازی هستند؛ مثل صفحهٔ کف و سقف یک اتاق معمولی. اگر یکدیگر را قطع کنند، اشتراکشان یک خط راست است، نه فقط یک نقطه. این خط را فصل مشترک می‌نامیم؛ محل رسیدن دو دیوار کنار هم نمونهٔ خوبی برای تصور آن است.

دو صفحهٔ متمایز در فضا یا موازی‌اند یا متقاطع. اگر کاملاً بر هم منطبق باشند، آن‌ها را یک صفحه در نظر می‌گیریم. یادت باشد کوچک بودن برگه‌ها ممکن است گمراه‌کننده باشد: شاید دو تکه کاغذ به هم نرسند، ولی صفحه‌هایی که نمایش می‌دهند، با ادامه یافتن یکدیگر را قطع کنند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۲

عمود بر خط یا عمود بر صفحه؟

خطی که صفحه را قطع می‌کند، لزوماً بر آن عمود نیست؛ ممکن است کج وارد صفحه شود. خطِ عمود بر صفحه باید بر تمام خط‌های آن صفحه که از نقطهٔ برخورد می‌گذرند، عمود باشد. مدادی که قائم روی میز نگه داشته‌ای، این حالت را نشان می‌دهد.

لازم نیست عمود بودن بر بی‌شمار خط را جداگانه بررسی کنیم: کافی است خط بر دو خط متقاطعِ صفحه، در محل تقاطعشان عمود باشد. عمود بودن بر فقط یک خط کافی نیست؛ مثلاً دو خط عمود بر هم می‌توانند هر دو روی میز باشند!

دو صفحه هم وقتی عمودند که هر کدام خطی داشته باشد که بر دیگری عمود است؛ مثل کف و دیوار اتاق. دو خط متمایز عمود بر یک صفحه با هم موازی‌اند، اما دو صفحهٔ عمود بر یک صفحه لزوماً موازی نیستند؛ دو دیوار کنار هم هر دو بر کف عمودند، ولی همدیگر را قطع می‌کنند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۳

مثال حل‌شده

یک مکعب را تصور کن: رأس‌های کف به‌ترتیب دور آن A,B,C,DA,B,C,D هستند و رأس‌های E,F,G,HE,F,G,H به‌ترتیب درست بالای آن‌ها قرار دارند. وضعیت خط‌های ABAB و CGCG، وضعیت خط AEAE نسبت به صفحهٔ ABCDABCD، و فصل مشترک صفحه‌های ABCDABCD و BCGFBCGF را مشخص کن.

  1. ابتدا شکل را در ذهن بساز: ABAB یک لبهٔ کف، CGCG یک لبهٔ قائم و AEAE نیز یک لبهٔ قائم دیگر است. همهٔ خط‌ها و صفحه‌ها را نامحدود در نظر می‌گیریم.

  2. خط ABAB در صفحهٔ کف است و خط CGCG فقط در نقطهٔ CC از این صفحه می‌گذرد. چون CC روی ABAB نیست، این دو خط نقطهٔ مشترک ندارند.

  3. اگر صفحه‌ای شامل ABAB و CGCG بود، باید خط ABAB و نقطهٔ CC را در بر می‌گرفت؛ این‌ها همان صفحهٔ کف را تعیین می‌کنند. اما CGCG در صفحهٔ کف نیست، پس چنین صفحه‌ای وجود ندارد و دو خط متنافرند.

  4. خط AEAE فقط در نقطهٔ AA با صفحهٔ ABCDABCD مشترک است؛ بنابراین خط و صفحه متقاطع‌اند، هرچند در این مکعب بر هم عمود نیز هستند.

  5. صفحهٔ کف ABCDABCD و صفحهٔ وجه BCGFBCGF هر دو شامل لبهٔ BCBC هستند. چون دو صفحهٔ متمایز و متقاطع‌اند، فصل مشترک آن‌ها خط BCBC است.

جواب: خط‌های ABAB و CGCG متنافرند؛ خط AEAE صفحهٔ ABCDABCD را در نقطهٔ AA قطع می‌کند؛ فصل مشترک صفحه‌های ABCDABCD و BCGFBCGF، خط BCBC است.

نکات مهم

  • دو خط متمایز در فضا متقاطع، موازی یا متنافرند؛ خط‌های موازی هم‌صفحه‌اند، ولی خط‌های متنافر هم‌صفحه نیستند.
  • خط و صفحه بسته به داشتن هیچ، یک یا بی‌شمار نقطهٔ مشترک، موازی، متقاطع یا دارای حالتِ واقع بودن خط بر صفحه‌اند.
  • دو صفحهٔ متمایز یا موازی‌اند یا در یک خط مشترک‌اند، و برای اثبات عمود بودن خط بر صفحه، عمود بودن بر دو خط متقاطع آن در محل تقاطع کافی است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۲ · صفحهٔ ۸۳ تا ۸۷ · حدود ۱۳ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

تعامد

در این درس یاد می‌گیری عمودبودن خط و صفحه و دو صفحه را تشخیص بدهی و با کمک معیار دو خط متقاطع و رابطه‌های موازی، دربارهٔ وضعیت آن‌ها استدلال کنی.

پیش از شروع

مدادی را قائم روی کتاب نگه دار. برای اینکه مطمئن شوی مداد بر صفحهٔ کتاب عمود است، باید زاویهٔ آن را با بی‌نهایت خط روی صفحه اندازه بگیری؟

نه! کافی است دو خط متقاطع روی صفحه را که از محل تماس مداد می‌گذرند انتخاب کنی و عمودبودن مداد بر هر دو را بررسی کنی. همین بررسیِ محدود، وضعیت مداد را نسبت به کل صفحه مشخص می‌کند.

عمود بر یک صفحه یعنی چه؟

یک کتاب را صاف روی میز بگذار و نوک مدادی را روی نقطه‌ای از آن نگه دار. اگر مداد واقعاً قائم باشد، هر خطی که روی صفحه از محل تماس بگذرد، با مداد زاویهٔ راست می‌سازد. این همان معنای عمودبودن خط بر صفحه است.

اگر خط ll صفحهٔ PP را در نقطهٔ AA قطع کند، برای عمودبودن باید بر همهٔ خط‌های صفحه که از AA می‌گذرند عمود باشد. این وضعیت را با l⊥Pl\perp P می‌نویسیم.

به عبارت «از محل برخورد» دقت کن. منظور، بررسی خط‌های گذرنده از پای عمود است، نه هر خطی در هر جای صفحه. همچنین عمودبودن بر فقط یک خط کافی نیست؛ دو خط روی خود صفحه هم می‌توانند بر یکدیگر عمود باشند، بی‌آنکه هیچ‌کدام بر صفحه عمود باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۳

آزمون دو خط متقاطع

تعریف از «همهٔ خط‌ها» حرف می‌زند؛ ولی برای اثبات عمودبودن، لازم نیست بی‌نهایت زاویه را بررسی کنیم. یک معیار کوتاه‌تر داریم: اگر خطی در نقطهٔ تقاطعِ دو خطِ یک صفحه، بر هر دوی آن‌ها عمود باشد، بر خود صفحه هم عمود است.

فرض کن دو خط aa و bb روی صفحهٔ PP در AA یکدیگر را قطع می‌کنند. اگر ll از AA بگذرد و l⊥al\perp a و l⊥bl\perp b باشد، نتیجه می‌گیریم l⊥Pl\perp P.

دو شرط را جا نینداز: دو خط باید متقاطع باشند و عمودبودن‌ها در همان محل تقاطع برقرار باشد. انتخاب دو خط موازی جای این شرط را نمی‌گیرد. مثلاً خطی روی کاغذ می‌تواند دو خط موازیِ همان کاغذ را عمود قطع کند، اما همچنان در صفحه بماند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۳

تعامد دو صفحه و دامِ تعمیم

حالا به کف اتاق و یک دیوار فکر کن. یک خط قائم روی دیوار، بر کف عمود است؛ پس این دو صفحه بر هم عمودند. در تعریف تعامدِ دو صفحه، وجود خط عمود مهم است؛ قرار نیست همهٔ خط‌های یک صفحه بر صفحهٔ دیگر عمود باشند. لبهٔ مشترک دیوار و کف، خودش در هر دو صفحه قرار دارد!

در فضای سه‌بعدی باید میان «خط» و «صفحه» فرق بگذاریم. دو خط متمایزِ عمود بر یک صفحه، موازی‌اند؛ مثل دو میلهٔ قائم روی کف. همچنین دو صفحهٔ متمایزِ عمود بر یک خط، با هم موازی‌اند؛ مثل دو طبقهٔ افقی که یک ستون قائم بر هر دو عمود است.

اما دو صفحهٔ عمود بر یک صفحه، لزوماً موازی نیستند. دو دیوارِ مجاور، هر دو بر کف عمودند، ولی همدیگر را قطع می‌کنند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۳

یک عمود و چند نتیجهٔ کاربردی

از یک نقطهٔ بیرون صفحه، فقط یک خط می‌توان بر صفحه عمود کرد. اگر دو خط متفاوت از آن نقطه بر صفحه عمود بودند، باید با هم موازی می‌شدند؛ اما دو خط متمایزِ موازی از یک نقطه نمی‌گذرند.

در تمرین‌های فضایی، موازی‌بودن کمک می‌کند تعامد را به شکل‌های تازه منتقل کنیم: اگر خطی بر یکی از دو صفحهٔ موازی عمود باشد، بر دیگری هم عمود است. همچنین اگر یکی از دو خط موازی بر صفحه‌ای عمود باشد، خط دیگر هم بر همان صفحه عمود است.

برای تصور این دو نتیجه، طبقه‌های موازی یک قفسه و دو ستون قائم آن را در ذهن بساز. ستون قائم فقط بر یک طبقه عمود نیست؛ بر طبقه‌های موازی دیگر هم عمود است. ستون موازیِ آن نیز همین وضعیت را دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۶

مثال حل‌شده

دو خط aa و bb در صفحهٔ PP در نقطهٔ AA متقاطع‌اند. خط ll از AA می‌گذرد و با هر یک از این دو خط زاویهٔ 90∘90^\circ می‌سازد. اگر خط mm با ll موازی باشد، وضعیت mm نسبت به صفحهٔ PP چیست؟

  1. از زاویه‌های داده‌شده می‌فهمیم l⊥al\perp a و l⊥bl\perp b است.

  2. دو خط aa و bb در صفحهٔ PP هستند و محل تقاطعشان همان نقطهٔ AA روی خط ll است؛ پس شرط‌های معیار دو خط متقاطع برقرارند.

  3. بنابراین نتیجه می‌گیریم l⊥Pl\perp P.

  4. چون m∥lm\parallel l است، خط mm نیز بر همان صفحه عمود است؛ پس m⊥Pm\perp P.

جواب: خط mm بر صفحهٔ PP عمود است؛ یعنی m⊥Pm\perp P.

نکات مهم

  • خط عمود بر صفحه، بر تمام خط‌های آن صفحه که از پای عمود می‌گذرند عمود است و برای اثبات آن بررسی دو خط متقاطع در همان نقطه کافی است.
  • دو صفحهٔ عمود بر یک صفحه لزوماً موازی نیستند، اما دو خط متمایزِ عمود بر یک صفحه با هم موازی‌اند.
  • از هر نقطهٔ بیرون صفحه فقط یک خط عمود می‌گذرد و تعامد با موازی‌بودن خط‌ها یا صفحه‌ها منتقل می‌شود.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۳ · صفحهٔ ۸۷ تا ۹۲ · حدود ۱۳ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

درس دوم: تفکر تجسمی

در این درس یاد می‌گیری با تصویرسازی ذهنی، نماهای مختلف اجسام را تشخیص بدهی و رسم کنی، مکعب‌های کوچک و وجه‌های رنگ‌شدهٔ آن‌ها را بشماری و شکل سطح مقطع‌های ساده را پیش‌بینی کنی.

پیش از شروع

اگر از بالا به یک جسم نگاه کنی و فقط یک دایره ببینی، می‌توانی مطمئن باشی که آن جسم کره است؟

نه؛ کره، استوانه یا مخروط می‌توانند از بالا دایره دیده شوند. یک نما همیشه برای شناخت جسم کافی نیست؛ باید در ذهن زاویهٔ دیدت را عوض کنی و اطلاعات بیشتری به دست بیاوری.

فکر کردن با تصویر

فکر کردن با تصویر

چشم‌هایت را لحظه‌ای ببند و اتاقت را تصور کن. تخت یا میزت کجاست؟ حالا در ذهنت میز را به گوشهٔ دیگری ببر. آیا هنوز می‌توانی درِ اتاق را باز کنی؟ برای بررسی این موضوع، لازم نیست واقعاً میز را جابه‌جا کنی؛ می‌توانی تصویر اتاق را در ذهنت تغییر بدهی.

این کار نمونه‌ای از تفکر تجسمی است: به‌جای اینکه فقط با جمله‌ها دربارهٔ چیزی فکر کنیم، تصویر آن را در ذهن می‌سازیم و بررسی می‌کنیم. حتی می‌توانیم چیزی را تصور کنیم که اکنون جلوی چشممان نیست؛ مثلاً چهرهٔ یکی از اعضای خانواده یا مسیر خانه تا مدرسه.

نکته این است که تصویر ذهنی همیشه ثابت نمی‌ماند. می‌توانیم در خیال، جای اشیا را عوض کنیم، شکلی را بچرخانیم یا بخشی از آن را حذف کنیم و نتیجه را پیش‌بینی کنیم. پس تفکر تجسمی فقط «دیدن» نیست؛ فکر کردن با تصویرهاست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۷

یک جسم، چند نما

یک جسم، چند نما

یک جعبهٔ کفش را تصور کن. وقتی از بالا به آن نگاه می‌کنی، طول و عرض آن را می‌بینی؛ اما وقتی از روبه‌رو نگاه می‌کنی، ارتفاعش هم دیده می‌شود. پس یک جسم می‌تواند از جهت‌های مختلف، تصویرهای متفاوتی داشته باشد. به هرکدام از این تصویرها، نما می‌گوییم.

برای تشخیص نماها، ابتدا جهت روبه‌رو را مشخص کن؛ مثلاً سمتی از جعبه که برچسب دارد. حالا نمای بالا، تصویر جسم از بالای آن است و نمای چپ، تصویر جسم از سمت چپِ همان جهت روبه‌رو. در هر نما، مستقیم از همان جهت نگاه می‌کنیم، نه به‌صورت مایل.

هیچ نمایی همیشه از بقیه کامل‌تر نیست. هر نما اطلاعاتی را نشان می‌دهد و ممکن است اطلاعات دیگری را پنهان کند. مثلاً یک جعبهٔ کوتاه و یک جعبهٔ بلند با طول و عرض یکسان، از بالا یکسان دیده می‌شوند؛ برای تشخیص تفاوت ارتفاعشان باید نمای دیگری را هم ببینی.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۸

نما را چگونه رسم کنیم؟

نما را چگونه رسم کنیم؟

فرض کن از بالا به چند جعبهٔ کنار هم نگاه می‌کنی و می‌خواهی جای اشغال‌شدهٔ آن‌ها را روی میز نشان بدهی. لازم نیست همهٔ جزئیات جعبه‌ها را نقاشی کنی؛ باید شکل نما را از همان جهت مشخص کنی.

برای رسم نما، اول جهت نگاهت را ثابت کن؛ مثلاً درست از بالا نگاه کن، نه مایل. بعد مرز بیرونی شکلی را که از آن جهت دیده می‌شود رسم کن. بخش‌هایی که پشت بخش‌های دیگر پنهان شده‌اند، جداگانه به نما اضافه نمی‌شوند.

قرارداد این درس: در شکل‌های معمولی، نمایش اختلاف ارتفاع قسمت‌ها و کشیدن خطوط داخلی نما لازم نیست. اما اگر شکل شطرنجی باشد و اندازه‌های دقیق آن داده شده باشد، خطوط شطرنجی را هم رسم می‌کنیم تا تعداد خانه‌ها و اندازهٔ قسمت‌ها مشخص بماند. پس پیش از رسم، بررسی کن: شکل معمولی است یا شطرنجیِ دارای اندازه‌های دقیق؟

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۸

مکعب‌های پیدا و پنهان

مکعب‌های پیدا و پنهان

فرض کن یک مکعب بزرگ را از مکعب‌های کوچک و هم‌اندازه ساخته‌ایم؛ مثل چیدن حبه‌های قند. برای شمردن آن‌ها، فقط مکعب‌های دیده‌شده در تصویر را نشمار! لایه‌لایه فکر کن: مکعب‌های هر لایه را بشمار و تعداد لایه‌ها را در نظر بگیر؛ مکعب‌های پشت و داخل جسم هم حساب می‌شوند.

حالا تمام سطح بیرونی مکعب بزرگ را رنگ می‌کنیم و سپس مکعب‌های کوچک را از هم جدا می‌کنیم. چند وجه هر مکعب کوچک رنگ گرفته است؟ جای آن راهنمای ماست:

  • گوشه: سه وجه رنگی دارد.
  • روی لبه، به‌جز گوشه‌ها: دو وجه رنگی دارد.
  • روی سطح، دور از لبه‌ها: یک وجه رنگی دارد.
  • درون مکعب بزرگ: هیچ وجه رنگی ندارد.

این دسته‌بندی برای مکعب بزرگی است که در امتداد هر یال، دست‌کم سه مکعب کوچک دارد. نکتهٔ مهم این است که پنهان بودن در تصویر، با رنگ‌نشدن فرق دارد؛ مکعبِ پشت جسم هم ممکن است روی سطح بیرونی باشد و رنگ بگیرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۰

درون جسم با یک برش

درون جسم با یک برش

وقتی خیار را برش می‌زنی، شکلِ جای برش را دیده‌ای؟ برشِ راست و برشِ مایل معمولاً شکل یکسانی ندارند. در هندسه هم می‌توانیم به‌جای چاقو، یک صفحهٔ صاف و بسیار نازک را تصور کنیم که از جسم می‌گذرد. شکل مشترکِ صفحه و جسم، سطح مقطع نام دارد؛ یعنی همان شکلی که در محل برش به دست می‌آید.

یک استوانهٔ توپر و قائم، مثل یک قالب استوانه‌ای پنیر، را در ذهن نگه دار:

  • اگر صفحه موازی قاعده‌ها از داخل آن بگذرد، سطح مقطع دایره است.
  • اگر صفحه از محور استوانه بگذرد، سطح مقطع مستطیل است.
  • اگر صفحه مایل باشد و هیچ‌کدام از قاعده‌ها را قطع نکند، سطح مقطع بیضی است.

پس برای پیش‌بینی سطح مقطع، فقط نام جسم کافی نیست؛ باید جای صفحه و جهت آن را هم بدانیم. حواست باشد سطح مقطع با نمای جسم فرق دارد: در نما از بیرون نگاه می‌کنیم، اما در برش، شکلِ محل برخورد صفحه با جسم را بررسی می‌کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۲

مثال حل‌شده

مکعبی توپر از مکعب‌های کوچک هم‌اندازه ساخته‌ایم که در امتداد هر یال آن 33 مکعب قرار دارد. تمام سطح بیرونی مکعب بزرگ را رنگ می‌کنیم. چند مکعب کوچک بدون رنگ می‌مانند و چند مکعب، دقیقاً یک، دو یا سه وجه رنگ‌شده دارند؟

  1. کل مکعب‌ها را لایه‌لایه می‌شماریم: 33 لایه داریم و در هر لایه 3×33\times3 مکعب است؛ پس تعداد کل برابر است با 3×3×3=273\times3\times3=27.

  2. فقط مکعبِ وسطِ مکعب بزرگ کاملاً درونی است؛ بنابراین 11 مکعب هیچ وجه رنگ‌شده‌ای ندارد.

  3. در مرکز هر وجهِ مکعب بزرگ، یک مکعب کوچک فقط یک وجه رنگ‌شده دارد؛ با توجه به 66 وجه، تعداد این مکعب‌ها 66 است.

  4. در وسط هر یال، یک مکعب کوچک قرار دارد که دقیقاً دو وجه آن رنگ شده است؛ مکعب بزرگ 1212 یال دارد، پس تعداد این مکعب‌ها 1212 است.

  5. هر مکعبِ گوشه‌ای سه وجه رنگ‌شده دارد؛ چون مکعب بزرگ 88 گوشه دارد، تعداد این مکعب‌ها 88 است.

  6. برای کنترل، دسته‌ها را جمع می‌کنیم: 1+6+12+8=271+6+12+8=27. تعداد مکعب‌های دارای رنگ هم برابر است با 27−1=2627-1=26.

جواب: در مجموع 2727 مکعب کوچک داریم: 11 مکعب بدون رنگ، 66 مکعب با یک وجه رنگ‌شده، 1212 مکعب با دو وجه رنگ‌شده و 88 مکعب با سه وجه رنگ‌شده؛ پس 2626 مکعب دست‌کم یک وجه رنگ‌شده دارند.

نکات مهم

  • تفکر تجسمی یعنی با تصویرهای ذهنی دربارهٔ شکل‌ها و تغییراتشان فکر کنیم؛ نماهای مختلف، اطلاعات متفاوتی از یک جسم نشان می‌دهند.
  • برای شمارش مکعب‌های کوچک و وجه‌های رنگ‌شده، باید مکعب‌های گوشه، لبه، روی سطح و درون جسم را از هم تشخیص دهیم.
  • سطح مقطع از برخورد صفحه با جسم به دست می‌آید و با تغییر جای صفحه یا جهت آن ممکن است تغییر کند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۴ · صفحهٔ ۹۲ تا ۹۵ · حدود ۱۱ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

برش

در این درس یاد می‌گیری سطح مقطع چند جسم هندسی را تشخیص بدهی، مساحت مقطع دایره‌ای کره را پیدا کنی و شکل حاصل از دوران شکل‌های ساده حول یک محور را تصور کنی.

پیش از شروع

چطور ممکن است از یک خیار، هم برش دایره‌ای به دست بیاوری و هم برش بیضی‌شکل، بدون اینکه شکل خود خیار عوض شود؟

شکل برش فقط به جسم بستگی ندارد؛ جهت بریدن هم مهم است. اگر خیار را شبیه یک استوانه در نظر بگیریم، برش موازی قاعده دایره‌ای است، اما برش مایلِ مناسب می‌تواند بیضی باشد.

ردّ صفحه در جسم

ردّ صفحه در جسم

تصور کن یک تکه پنیر مکعبی را با چاقو می‌بُری. اگر چاقو را مانند بخشی از یک صفحهٔ هندسی در نظر بگیری، شکلِ جای برش روی پنیر، سطح مقطع است؛ یعنی شکلی که هم در صفحهٔ برش قرار دارد و هم در جسم.

برای پیدا کردن سطح مقطع یک چندوجهی، مثل مکعب، ردّ صفحه را روی وجه‌های جسم دنبال کن:

  • ببین صفحه کدام وجه‌ها را قطع می‌کند.
  • روی هر وجهِ قطع‌شده، محل برخورد معمولاً یک پاره‌خط است.
  • این پاره‌خط‌ها را به ترتیب به هم وصل کن تا مرز مقطع بسته شود.

مثلاً اگر یک مکعب توپر را با صفحه‌ای موازی قاعده و از داخل آن ببُریم، روی چهار وجه جانبی چهار پاره‌خط پیدا می‌شود. این پاره‌خط‌ها مرز یک مربع را می‌سازند؛ سطح مقطع، تمام ناحیهٔ مربعی داخل این مرز است، نه فقط چهار ضلع آن. پس شکل مقطع را از ردّ صفحه روی جسم پیدا می‌کنیم، نه از ظاهر کج‌ومعوج شکل در نقاشی.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۲

یک استوانه، چند جور برش

یک استوانه، چند جور برش

یک خیار تقریباً استوانه‌ای را تصور کن: با تغییر جهت چاقو، شکل برش هم عوض می‌شود. برای یک استوانهٔ قائم هم جهت صفحهٔ برش مهم است:

  • صفحهٔ موازی قاعده: مقطع، دایره است؛ مثل برش‌های حلقه‌ای خیار. این دایره هم‌اندازهٔ قاعدهٔ استوانه است.
  • صفحهٔ موازی محور: اگر صفحه از درون استوانه بگذرد، مقطع مستطیل است. دو ضلع آن روی قاعده‌ها قرار می‌گیرند و دو ضلع دیگر در امتداد ارتفاع استوانه‌اند. لازم نیست صفحه حتماً از خود محور بگذرد.
  • صفحهٔ مایل که به هیچ‌یک از قاعده‌ها نرسد: مقطع بیضی است؛ شبیه برش کج خیار که از برش دایره‌ای کشیده‌تر دیده می‌شود.

پس فقط «مایل بودن» کافی نیست؛ باید ببینی صفحه به قاعده‌ها هم می‌رسد یا نه. شرط نرسیدن به قاعده‌ها کمک می‌کند مقطع، یک بیضی کامل باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۲

برش مخروط و مخروط ناقص

برش مخروط و مخروط ناقص

یک قیف مخروطی را تصور کن که نوکش رو به بالاست و قاعده‌اش افقی است. اگر صفحه‌ای موازی قاعده از درون آن بگذرد، مقطع دایره است. با نزدیک‌تر شدن صفحه به رأس، دایره کوچک‌تر می‌شود.

اما برش مایل همیشه یک شکل نمی‌سازد! اگر صفحهٔ مایل به قاعده نرسد و موازی هیچ‌یک از خط‌های راستِ روی بدنهٔ مخروط نباشد، مقطع بیضی است. اگر صفحه موازی یکی از همین خط‌ها باشد، مقطع سهمی می‌شود؛ فعلاً شناختن نام و شکل کلی آن کافی است.

حالا مخروطی توپر را موازی قاعده ببُر. بخش بالایی، یک مخروط کوچک‌تر است و بخش پایینی، مخروط ناقص؛ مثل شکل بعضی لیوان‌های کاغذی که دو دهانهٔ دایره‌ای با اندازه‌های متفاوت دارند.

اگر مخروط ناقص را با صفحه‌ای که از محور آن می‌گذرد به دو نیمهٔ مساوی تقسیم کنیم، مقطع ذوزنقهٔ متساوی‌الساقین است: دو قاعدهٔ موازی آن از دو دایرهٔ بالا و پایین به دست می‌آیند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۳

بزرگ‌ترین برش کره

بزرگ‌ترین برش کره

یک پرتقال تقریباً کروی را تصور کن. اگر آن را نزدیک پوستش ببری، برش کوچکی می‌بینی؛ اما با نزدیک شدن برش به وسط پرتقال، سطح برش بزرگ‌تر می‌شود. هر صفحه‌ای که از درون کره بگذرد، مقطعی دایره‌ای می‌سازد.

برای فهمیدن دلیل، مرکز کره را OO و مرکز دایرهٔ مقطع را HH بنام. پاره‌خط OHOH بر صفحهٔ برش عمود است. اگر نقطهٔ AA را روی محیط مقطع انتخاب کنی، مثلث OHAOHA در HH قائم‌الزاویه است. پس با نامیدن شعاع کره به RR، شعاع مقطع به rr و فاصلهٔ مرکز کره از صفحه به dd، داریم:

r2+d2=R2r^2+d^2=R^2

شعاع کره ثابت است؛ بنابراین هرچه dd کمتر شود، rr بیشتر می‌شود. بزرگ‌ترین مقطع وقتی به دست می‌آید که صفحه از مرکز کره بگذرد؛ در این حالت d=0d=0 است و شعاع مقطع با شعاع کره برابر می‌شود. مساحت هر مقطع نیز از رابطهٔ S=πr2S=\pi r^2 به دست می‌آید.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۳

از چرخاندن شکل تا ساختن جسم

از چرخاندن شکل تا ساختن جسم

یک تکه مقوا را تصور کن که دور یک میله می‌چرخد. برای تشخیص شکل حاصل، فقط به جای نهایی مقوا نگاه نکن؛ باید همهٔ جاهایی را که هنگام چرخش از آن‌ها می‌گذرد در نظر بگیری.

در یک دور کامل، هر نقطهٔ بیرون از محور، دایره‌ای به دور محور می‌پیماید؛ اما نقطه‌های روی محور ثابت می‌مانند. فاصلهٔ هر نقطه از محور، شعاع دایرهٔ مسیر آن است.

مثلاً اگر پاره‌خطی را حول پاره‌خطی عمود بر آن، از محل اتصالشان، بچرخانی، یک ناحیهٔ دایره‌ای ساخته می‌شود؛ درست شبیه حرکت عقربه‌ای که همهٔ سطح صفحهٔ ساعت را جاروب کند.

حالا ناحیهٔ نیم‌دایره را حول قطرش بچرخان. این ناحیه هنگام دوران، فضای یک کره را پُر می‌کند. برای شکل‌های دیگر هم همین روش را به کار ببر: محور را پیدا کن و مسیر نقطه‌ها را در ذهن دنبال کن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۵

مثال حل‌شده

کره‌ای به شعاع 5  سانتی‌متر5\;\text{سانتی‌متر} با صفحه‌ای بریده شده است. فاصلهٔ مرکز کره از صفحه 3  سانتی‌متر3\;\text{سانتی‌متر} است. مساحت سطح مقطع را پیدا کن.

  1. مرکز کره را OO و پای عمود آن بر صفحه را HH می‌نامیم. مقطع یک دایره است و HH مرکز این دایره است.

  2. نقطه‌ای مانند AA را روی محیط مقطع انتخاب می‌کنیم. پاره‌خط OAOA شعاع کره است؛ پس OA=5OA=5 و OH=3OH=3 است و همهٔ طول‌ها بر حسب سانتی‌متر هستند.

  3. چون OHOH بر صفحه عمود است، بر HAHA هم عمود است. بنابراین مثلث OHAOHA در HH قائم‌الزاویه است.

  4. اگر شعاع مقطع را rr بنامیم، از فیثاغورس داریم: r2+32=52r^2+3^2=5^2؛ پس r2=25−9=16r^2=25-9=16 و r=4  سانتی‌مترr=4\;\text{سانتی‌متر}.

  5. مساحت دایرهٔ مقطع را حساب می‌کنیم: S=πr2=16π  سانتی‌متر مربعS=\pi r^2=16\pi\;\text{سانتی‌متر مربع}. دقت کن که در این فرمول باید شعاع مقطع را بگذاریم، نه شعاع کره را.

جواب: مساحت سطح مقطع برابر با 16π  سانتی‌متر مربع16\pi\;\text{سانتی‌متر مربع} است.

نکات مهم

  • سطح مقطع، شکل مشترک صفحه و جسم است و با تغییر جهت صفحه می‌تواند تغییر کند؛ مثلاً برش‌های مناسب استوانه دایره، مستطیل یا بیضی هستند.
  • مقطع کره دایره است و شعاع آن با رابطهٔ r2=R2−d2r^2=R^2-d^2 به شعاع کره و فاصلهٔ مرکز از صفحه مربوط می‌شود؛ بزرگ‌ترین مقطع از مرکز می‌گذرد.
  • برای تشخیص جسم حاصل از دوران، مسیر حرکت همهٔ نقطه‌های شکل را دنبال می‌کنیم، نه فقط شکل اولیه را.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۵ · صفحهٔ ۹۵ تا ۹۶ · حدود ۷ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

دوران حول محور

در این درس یاد می‌گیری با دنبال کردن حرکت نقطه‌های یک شکل حول محور، شکل حاصل از دوران را تشخیص بدهی و ویژگی‌های آن را توضیح بدهی.

پیش از شروع

چطور می‌توان با چرخاندن یک مستطیل، بدون تا کردن یا خم کردن آن، یک استوانه ساخت؟

یکی از ضلع‌های مستطیل را ثابت نگه دار و مستطیل را یک دور کامل دور آن بچرخان. ناحیهٔ مستطیل هنگام چرخش، فضای یک استوانه را می‌پوشاند؛ ضلع ثابت، محور دوران است.

ردّ حرکت نقطه‌ها

ردّ حرکت نقطه‌ها

یک درِ لولایی را تصور کن. هنگام باز شدن در، لولاها سر جای خود می‌مانند، اما دستگیره روی مسیری خمیده حرکت می‌کند. در دوران شکل‌های هندسی هم محور ثابت است و نقطه‌های شکل دور آن می‌چرخند.

برای کشف شکل حاصل، اول حرکت یک نقطه را دنبال کن: اگر نقطه روی محور باشد، جابه‌جا نمی‌شود. اگر بیرون محور باشد، با یک دور کامل، دایره‌ای می‌سازد که شعاعش برابر فاصلهٔ عمودی نقطه تا محور است. پس نقطهٔ دورتر از محور، دایرهٔ بزرگ‌تری می‌سازد.

حالا یک پاره‌خط را در نظر بگیر که یک سرش روی محور است و بر محور عمود است. هنگام دوران، سرِ روی محور ثابت می‌ماند و سرِ دیگر، مرز یک دایره را طی می‌کند. نقطه‌های بین این دو سر هم دایره‌های کوچک‌تری می‌سازند؛ بنابراین ردّ حرکت کل پاره‌خط، ناحیهٔ دایره‌ای، یعنی داخل دایره همراه مرز آن است، نه فقط محیط دایره.

روش ما همین است: چند نقطهٔ مهم را انتخاب کن، فاصله‌شان تا محور را ببین و مسیرهایشان را کنار هم بگذار.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۵

از دایره تا کره

از دایره تا کره

یک حلقهٔ نازک را تصور کن که حول یکی از قطرهایش یک دور کامل می‌چرخد. نقطه‌های حلقه روی سطح یک کره حرکت می‌کنند؛ اما خود حلقه، فضای داخل کره را پر نمی‌کند.

اینجا تفاوت مهمی داریم: خطِ مرزی را می‌چرخانیم یا ناحیهٔ داخل آن را هم همراهش دوران می‌دهیم؟

  • اگر فقط کمان نیم‌دایره را حول قطرش بچرخانی، سطح کامل کره ساخته می‌شود؛ همان کمان برای پیمودن همهٔ سطح کافی است.
  • اگر ناحیهٔ نیم‌دایره را حول قطرش بچرخانی، داخل کره هم پوشانده می‌شود و یک کرهٔ توپر به دست می‌آید. دوران ناحیهٔ کامل دایره حول قطر نیز همین نتیجه را دارد.
  • اگر ناحیهٔ نیم‌دایره را حول شعاعِ عمود بر قطرش بچرخانی، نیم‌کرهٔ توپر ساخته می‌شود؛ چون همهٔ نقطه‌ها در یک سوی صفحهٔ گذرنده از قطر باقی می‌مانند.
  • دوران ناحیهٔ ربع دایره حول یکی از دو شعاع مرزی‌اش نیز نیم‌کرهٔ توپر می‌سازد؛ دوران فقط کمان آن، سطح خمیدهٔ نیم‌کره را می‌سازد.

پس همیشه بپرس: «چه چیزی می‌چرخد و محور کجاست؟»

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۵

ساختن استوانه

ساختن استوانه

یک پاره‌خط را موازی محور دوران در نظر بگیر. هنگام یک دور چرخش کامل، هر نقطهٔ آن دایره‌ای می‌سازد. چون فاصلهٔ همهٔ نقطه‌های پاره‌خط از محور یکسان است، این دایره‌ها شعاع برابر دارند و کنار هم سطح جانبی استوانه را می‌سازند؛ مثل دیوارهٔ یک قوطی، بدون کف و درپوش.

حالا ناحیهٔ مستطیل، یعنی داخل آن همراه با مرزش، را حول یکی از ضلع‌هایش بچرخان. این بار نقطه‌های داخل مستطیل هم می‌چرخند و فضای درون استوانه را پُر می‌کنند؛ پس حاصل، یک استوانهٔ توپر است.

برای شناخت اندازه‌ها، انگشتت را روی ضلعِ محور بگذار: طول همین ضلع، ارتفاع استوانه است. فاصلهٔ ضلع مقابل تا محور هم شعاع استوانه می‌شود؛ یعنی طول ضلع دیگر مستطیل.

مثلاً اگر مستطیلی با ضلع‌های aa و bb را حول ضلع aa بچرخانیم، ارتفاع استوانه aa و شعاع آن bb است. با عوض کردن ضلعِ محور، نقش شعاع و ارتفاع جابه‌جا می‌شود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۶

از ضلع مایل تا مخروط

از ضلع مایل تا مخروط

یک مثلث قائم‌الزاویهٔ مقوایی را تصور کن که یکی از ضلع‌های زاویهٔ قائمهٔ آن، محور دوران است. نقطه‌های وتر هرچه به رأسِ روی محور نزدیک‌تر باشند، فاصلهٔ کمتری از محور دارند؛ پس هنگام دوران، دایره‌های کوچک‌تری می‌سازند. در رأس، این فاصله صفر می‌شود. بنابراین دوران وتر، سطح جانبی مخروط و دوران ناحیهٔ مثلث، مخروط توپر می‌سازد.

حالا شکل‌های دیگر را با همین روش بشناس:

  • مثلث متساوی‌الساقین حول ارتفاعش: مخروطی می‌سازد که شعاع قاعده‌اش نصف قاعدهٔ مثلث است.
  • ذوزنقهٔ قائم‌الزاویه حول ضلع عمود بر قاعده‌ها: مخروط ناقص می‌سازد؛ چون فاصلهٔ ضلع مایل از محور تغییر می‌کند، اما به صفر نمی‌رسد. دو قاعدهٔ ذوزنقه، شعاع‌های دو قاعدهٔ دایره‌ای جسم می‌شوند.
  • مثلث متساوی‌الساقین حول قاعده‌اش: دو مخروط با قاعدهٔ مشترک می‌سازد؛ رأس‌های آن‌ها دو سرِ قاعدهٔ مثلث‌اند.

پس فقط به نام شکل نگاه نکن؛ بپرس: «فاصله از محور کجا صفر و کجا بیشترین است؟»

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۶

مثال حل‌شده

ناحیهٔ مستطیلی با ضلع‌های به طول 33 و 55 را یک بار حول ضلع به طول 55 و بار دیگر حول ضلع به طول 33 دوران کامل می‌دهیم. در هر حالت، جسم حاصل، شعاع قاعده و ارتفاع آن را مشخص کنید.

  1. در حالت اول، ضلع به طول 55 محور دوران است؛ پس امتداد جسم در راستای محور، ارتفاع h=5h=5 را تعیین می‌کند.

  2. فاصلهٔ ضلع موازیِ مقابل از این محور برابر 33 است؛ بنابراین شعاع قاعده r=3r=3 می‌شود و ناحیهٔ مستطیل یک استوانهٔ پُر می‌سازد.

  3. در حالت دوم، ضلع به طول 33 محور است؛ پس ارتفاع استوانه h=3h=3 خواهد بود.

  4. اکنون فاصلهٔ ضلع مقابل از محور برابر 55 است؛ پس شعاع قاعده r=5r=5 می‌شود: با عوض کردن محور، نقش طول و عرض در تعیین ارتفاع و شعاع جابه‌جا شده است.

جواب: حول ضلع به طول 55: استوانه‌ای با ارتفاع h=5h=5 و شعاع r=3r=3؛ حول ضلع به طول 33: استوانه‌ای با ارتفاع h=3h=3 و شعاع r=5r=5.

نکات مهم

  • هر نقطهٔ بیرون محور در دوران کامل، دایره‌ای با شعاع برابر فاصله‌اش از محور می‌پیماید و نقطهٔ روی محور ثابت می‌ماند.
  • برای تشخیص سطح یا جسمِ پُر باید به شکل آغازین توجه کنیم؛ مثلاً دوران کمان نیم‌دایره حول قطر، سطح کره و دوران ناحیهٔ نیم‌دایره حول قطر، کرهٔ پُر می‌سازد.
  • دوران ناحیهٔ مستطیل حول یک ضلع، استوانه می‌سازد و دوران ناحیه‌های مثلثی و ذوزنقه‌ای، بسته به محور، می‌تواند مخروط، مخروط ناقص یا ترکیبی از مخروط‌ها بسازد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

حالا خودت را بسنج: نمونه سوال این فصل با جواب (فصل ۴ هندسه دهم)

درس‌های فصل ۴ را تعاملی بخوان

در پنل یادگیری 1xAi هر کدام از این درس‌ها قدم به قدم پیش می‌رود: بعد از هر بخش یک سوال کوتاه، بعد مثال حل‌شده و در پایان برگهٔ خروج. جوابت ثبت می‌شود و سوال‌های هر درس در روزهای بعد برای مرور برمی‌گردند. درس‌های تعاملی رایگان‌اند؛ فقط تصحیح پاسخ کوتاه سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فصل ۴ هندسه دهم · رایگان