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अंतर्गत और परिगत ठोस: जब एक ठोस दूसरे के अंदर बैठता है

जब कोई ठोस दूसरे के अंदर बैठकर उसे खास बिंदुओं पर छूता है, तो वह उसमें अंतर्गत (inscribed) है और बाहर वाला परिगत (circumscribed) है। घन में गोला: r = a/2। घन के बाहर गोला: R = a√3/2। बेलन में गोला: h = 2r। गोले में बेलन: R² = r² + h²/4। शंकु में गोला: ρ = rh/(r + l)। अक्ष से काटकर समतल चित्र बनाइए, हर सवाल त्रिभुज, वर्ग या वृत्त का सवाल बन जाता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. गोला घन के अंदर है और छहों फलकों को छूता है। गोले का व्यास घन की भुजा के बराबर है, इसलिए r = a/2।
  2. अब गोला घन के बाहर है और आठों कोनों को छूता है। व्यास घन का लंबा विकर्ण है, इसलिए R = a√3 / 2।
  3. बेलन के अंदर गोला दोनों ढक्कनों और बगल को छूता है। इसलिए बेलन की ऊँचाई व्यास के बराबर है: h = 2r। गोला बेलन का 2/3 है।
  4. गोले के अंदर बेलन के दोनों किनारे गोले पर हैं। ऊँचाई खिसकाइए: समकोण त्रिभुज से R² = r² + (h/2)² मिलता है।
  5. शंकु के अंदर गोला आधार और ढलान को छूता है। शंकु को अक्ष से काटिए: त्रिभुज के अंदर वृत्त दिखता है। तब ρ = rh/(r + l)।
  6. अब आपकी बारी। जोड़ी चुनिए, माप खिसकाइए और देखिए दोनों त्रिज्याएँ एक-दूसरे पर कैसे निर्भर हैं।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अंदर वाले गोले का व्यास घन की भुजा के बराबर क्यों है?

गोला आमने-सामने के दो फलकों को छूता है। इन फलकों के बीच सबसे कम दूरी भुजा a है और वह केंद्र से जाती है, इसलिए वह व्यास है। लाल रेखा देखिए।

घन के बाहर वाले गोले में विकर्ण व्यास क्यों है?

गोले का केंद्र घन का भी केंद्र है और गोले पर कोई भी कोना एक त्रिज्या दूर है। सामने वाले कोने तक की रेखा दो त्रिज्याएँ यानी व्यास है। वही अंतरिक्ष-विकर्ण है।

बेलन की ऊँचाई व्यास के बराबर क्यों होनी चाहिए?

गोला दोनों ढक्कनों को छूता है, इसलिए ढक्कन एक व्यास की दूरी पर हैं। बगल भी छुई है, इसलिए बेलन की त्रिज्या r है।

गोले के अंदर बेलन में समकोण त्रिभुज कहाँ से आता है?

गोले के केंद्र को किनारे के एक बिंदु से जोड़िए। एक भुजा आधी ऊँचाई के साथ और दूसरी बेलन की त्रिज्या के साथ चलती है। कर्ण R है। ऊँचाई खिसकाकर r बदलते देखिए।

शंकु में गोले के लिए त्रिभुज का अंतःवृत्त क्यों लेते हैं?

अक्ष से काटने पर गोला ऐसा वृत्त बन जाता है जो त्रिभुज की तीनों भुजाओं को छूता है, यानी अंतःवृत्त। उसकी त्रिज्या क्षेत्रफल ÷ अर्ध-परिमाप है।

क्या ये नियम हर माप के लिए चलते हैं?

हाँ। अंतिम चरण में माप बदलिए: हर त्रिज्या का नियम वही रहता है क्योंकि आकृतियाँ बस बड़ी या छोटी होती हैं।

अंतर्गत और परिगत का मतलब

जब कोई ठोस दूसरे के अंदर बैठकर उसे खास बिंदुओं पर छूता है, तो वह उसमें अंतर्गत (inscribed) है। बाहर वाला भीतर वाले के लिए परिगत (circumscribed) है। जैसे घन के अंदर का गोला घन में अंतर्गत है, और घन गोले के लिए परिगत है। छूना फलकों पर (स्पर्श), किनारों पर या कोनों पर हो सकता है। गोले का स्पर्श-तल उसे सिर्फ़ एक बिंदु पर छूता है।

सबसे अच्छी चाल: अक्ष से काटिए और समतल आकृति (अनुप्रस्थ काट) देखिए। घन में गोला = वर्ग में वृत्त। शंकु में गोला = त्रिभुज में वृत्त।

गोला और घन

घन के अंदर गोला (छह फलकों को छूता है)। गोले का व्यास घन की भुजा के बराबर है: 2r = a, इसलिए r = a/2। आयतन अनुपात गोला : घन = π/6 ≈ 0.52।

घन के बाहर गोला (आठ कोनों को छूता है)। घन की सबसे लंबी रेखा, अंतरिक्ष-विकर्ण, केंद्र से जाती है और व्यास है। अंतरिक्ष-विकर्ण a√3 है (पाइथागोरस दो बार)। इसलिए 2R = a√3 और R = a√3/2। आयतन अनुपात घन : गोला = 2/(π√3) ≈ 0.37।

इन दोनों के बीच एक तीसरा गोला है जो घन के 12 किनारों को छूता है: उसकी त्रिज्या a/√2 है। और एक ही घन के लिए पहले दो गोलों की त्रिज्याओं का अनुपात R : r = √3 है।

गोला और बेलन

बेलन के अंदर गोला दोनों ढक्कनों और घुमावदार बगल को छूता है: बेलन की त्रिज्या भी r है और उसकी ऊँचाई व्यास के बराबर, h = 2r। तब गोले का आयतन (4/3)πr³ और बेलन का 2πr³, अनुपात 2 : 3। आश्चर्य: गोले का पृष्ठ क्षेत्रफल 4πr² और बेलन का कुल पृष्ठ क्षेत्रफल 6πr² का अनुपात भी 2 : 3 है। यह आर्किमिडीज़ का प्रिय परिणाम था।

गोले के अंदर बेलन (दोनों किनारे गोले पर): अक्ष से काटिए। गोले का केंद्र बेलन के अक्ष का मध्य बिंदु है। केंद्र से किनारे के बिंदु तक की त्रिज्या उस समकोण त्रिभुज का कर्ण है जिसकी भुजाएँ r (बेलन की त्रिज्या) और h/2 हैं:

R² = r² + (h/2)²।

गोला और शंकु

शंकु के अंदर गोला (आधार और ढलान को छूता है)। अक्ष से काटिए: शंकु समद्विबाहु त्रिभुज बन जाता है जिसका आधार 2r, ऊँचाई h और बराबर भुजाएँ l = √(r² + h²) हैं। गोला उस त्रिभुज का अंतःवृत्त बन जाता है। अंतःवृत्त की त्रिज्या = क्षेत्रफल ÷ अर्ध-परिमाप:

ρ = (½ · 2r · h) / ((2l + 2r)/2) = rh/(r + l)।

गोले के अंदर शंकु (शीर्ष और आधार का किनारा गोले पर; आधार त्रिज्या r, ऊँचाई h): R = (r² + h²)/(2h)। काट में शीर्ष और आधार के दोनों सिरे एक वृत्त पर होते हैं। भुजा a वाले सम चतुष्फलक में अंतर्गत गोले की त्रिज्या a√6/12 और परिगत गोले की a√6/4 है, यानी R = 3r।

सवाल हल करने की 4 चरणों की योजना

  1. तय कीजिए कौन-सा ठोस अंदर (अंतर्गत) है और कौन बाहर।
  2. तय कीजिए कौन किसे छूता है: फलक, किनारा, कोने, तिर्यक बगल।
  3. अक्ष से काटिए और समतल काट बनाइए।
  4. समकोण त्रिभुज (पाइथागोरस), विकर्ण या अंतःवृत्त का नियम लगाइए। फिर माँगा गया आयतन या क्षेत्रफल निकालिए।

शुरू करने से पहले हर त्रिज्या का नाम लिख लीजिए (बेलन/शंकु के लिए r, बाहर के गोले के लिए R, अंदर के गोले के लिए ρ)।

करके देखिए: डिब्बे में गेंद

एक गेंद (या गोल फल) और ऐसा डिब्बा लीजिए जिसमें वह ठीक बैठे। गेंद की चौड़ाई स्केल से नापिए और डिब्बे की भुजा से मिलाइए। दोनों बराबर हैं: यही r = a/2 है। अब सोचिए कि डिब्बे के कोने बाहर से गेंद को छू रहे हों: अनुमान लगाइए कि गेंद का व्यास डिब्बे के विकर्ण के मुकाबले कितना होगा, फिर 3D में जाँचिए।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 10 सेमी भुजा के घन में एक गोला अंतर्गत है। गोले का आयतन निकालिए।

r = a/2 = 5 सेमी। V = (4/3)π × 125 = 500π/3 ≈ 523.6 सेमी³।

2. 6 सेमी भुजा का घन एक गोले में अंतर्गत है। गोले की त्रिज्या और पृष्ठ क्षेत्रफल निकालिए।

R = a√3/2 = 3√3 ≈ 5.20 सेमी। पृष्ठ क्षेत्रफल = 4πR² = 4π × 27 = 108π ≈ 339.3 सेमी²।

3. 4 सेमी त्रिज्या का गोला एक बेलन में ठीक बैठता है। बेलन का आयतन और उसमें गोले का हिस्सा निकालिए।

h = 2r = 8 सेमी। बेलन: π × 16 × 8 = 128π सेमी³। गोला: (4/3)π × 64 = 256π/3 सेमी³। भाग = (256/3) ÷ 128 = 2/3।

4. 3 सेमी त्रिज्या और 8 सेमी ऊँचाई का बेलन एक गोले में अंतर्गत है। गोले की त्रिज्या निकालिए।

R² = r² + (h/2)² = 9 + 16 = 25, इसलिए R = 5 सेमी।

5. एक शंकु की आधार त्रिज्या 3 सेमी और ऊँचाई 4 सेमी है। उसमें आने वाले सबसे बड़े गोले की त्रिज्या निकालिए।

l = √(9 + 16) = 5 सेमी। ρ = rh/(r + l) = (3 × 4)/(3 + 5) = 12/8 = 1.5 सेमी।

6. 4 सेमी आधार त्रिज्या और 8 सेमी ऊँचाई वाला शंकु एक गोले में अंतर्गत है। गोले की त्रिज्या निकालिए।

R = (r² + h²)/(2h) = (16 + 64)/16 = 5 सेमी।

7. एक घन में गोला अंतर्गत है और वही घन एक बड़े गोले में अंतर्गत है। बड़े गोले और छोटे गोले के पृष्ठ क्षेत्रफलों का अनुपात निकालिए।

छोटा गोला r = a/2। बड़ा गोला R = a√3/2। R/r = √3। क्षेत्रफल अनुपात = (R/r)² = 3। यानी 3 : 1।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. भुजा a के घन में अंतर्गत गोले की त्रिज्या है:
2. एक घन गोले में अंतर्गत है। गोले का व्यास घन के किसके बराबर है?
3. बेलन में अंतर्गत गोले के लिए आयतनों का अनुपात (गोला : बेलन) है:
4. r = 6 और h = 16 वाला बेलन एक गोले में अंतर्गत है। गोले की त्रिज्या है:
5. शंकु में अंतर्गत गोले को अक्ष से काटने पर समतल आकृति मिलती है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

अंतर्गत और परिगत में क्या फ़र्क है?

भीतर वाला ठोस बाहर वाले में अंतर्गत है, और बाहर वाला भीतर वाले के लिए परिगत है। दोनों एक ही चित्र को कहने के दो तरीके हैं।

अक्ष से क्यों काटते हैं?

इससे कठिन 3D चित्र समतल बन जाता है: वृत्त, त्रिभुज और आयत। फिर सरल नियम (पाइथागोरस, अंतःवृत्त) से त्रिज्या मिल जाती है।

क्या शंकु के अंदर का गोला हमेशा आधार को छूता है?

शंकु में आने वाले सबसे बड़े गोले के लिए हाँ: वह आधार और ढलान को चारों ओर छूता है। बीच में तैरता छोटा गोला अंतर्गत गोला नहीं कहलाता।

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