5*. Поняття об’єму тіла, його властивостей, способів його вимірювання, одиниць вимірювання та співвідношень між ними. Об’єми многогранників та тіл обертання.

5. Об'єм геометричного тіла можна вимірювати так само, як і площу геометричних фігур двома способами: безпосередньо чи опосередковано, за допомогою формул. У першому випадку система координат у просторі розбивається на одиничні куби певного рангу. Їх можна отримати, якщо через точки поділу на координатних осях провести площини, паралельні координатним площинам. Відповідно до цього геометричне тіло розіб’ється на одиничні куби. При цьому можливі два випадки: 1) одиничні куби повністю вичерпують тіло, тоді його об'єм характеризуватиметься невід’ємним раціональним числом; 2) куби певного рангу не вичерпують всього тіла, а тому об'єм такого тіла характеризуватиметься додатнім ірраціональним числом. Отже, можна вважати, що об'єм геометричного тіла є мірою кубовності або це величина обмеженої частини простору, яку займає тіло. Тепер введемо означення поняття “об'єм геометричного тіла”. Так само, як і для довжини та площі використаємо аксіоматичний підхід до введення поняття об’єму.

Означення: об’ємом геометричного тіла називається невід’ємна скалярна величина, яка характеризує міру кубовності геометричного тіла та визначена для кожного геометричного тіла так, що виконуються наступні аксіоми:

1. У множині М геометричних тіл існує нульовий куб k₀ такий, що m(k₀)=0 (символічно ця аксіома запишеться так: ([(k₀єМ)(m(k₀)=0)]).

2. У множині М існує одиничний куб k такий, що m(k)=1, яким можна виміряти об'єм будь-якого геометричного тіла (символічно ця аксіома запишеться так: ([(kєМ)(m(k)=1)]).

3. Рівні геометричні тіла мають рівні об’єми (символічно ця аксіома запишеться так: ([(F,GєM)((F=G)↔ (m_k(F)=m_k(G))]).

4. Якщо геометричне тіло F складається із скінченного числа геометричних тіл F₁, F₂, F₃,...F_n, які не мають спільних внутрішніх точок, то об'єм геометричного тіла F дорівнює сумі об’ємів геометричних тіл F₁, F₂, F₃,...F_n (символічно: [(F,F₁,F₂,F₃,...,F_nєM)((F=F₁+F₂+F₃+...+F_n)↔ (m_k(F)=m_k(F₁)+m_k(F₂)+m_k(F₃)+...+m_k(F_n))]).

Цілком зрозуміло, що щоразу визначати об'єм геометричного тіла безпосереднім підрахунком числа кубів певного рангу дуже незручно, а тому в математиці для визначення об’ємів певних геометричних тіл вивели формули для знаходження об’єму. Із шкільного курсу геометрії відомі наступні теореми та формули, які ми наведемо без доведення:

1. Об'єм прямокутного паралелепіпеда дорівнює добутку трьох його вимірів, тобто V=abc.

2. Об'єм куба дорівнює кубу його ребра, тобто V=a³.

3. Об'єм прямокутного паралелепіпеда дорівнює добутку площі основи паралелепіпеда на висоту, тобто V=S_осн.H.

4. Об'єм призми дорівнює добутку площі її основи на висоту, тобто V=S_осн.H.

5. Об'єм будь-якої піраміди дорівнює одній третині добутку площі її основи на висоту, тобто V=¹/₃S_осн.H.

6. Об'єм циліндра дорівнює добутку площі його основи на висоту, тобто V=R²H.

7. Об'єм конуса дорівнює одній третині добутку площі його основи на висоту, тобто V=¹/₃R²H.

8. Об'єм кулі дорівнює добутку однієї третини поверхні кулі на її радіус, тобто V=⁴/₃R³.

Оскільки основною одиницею вимірювання довжини у системі “SI” є 1 м, то основною одиницею вимірювання об’єму є 1 куб. м або 1 м³. Похідними одиницями вимірювання об’єму є наступні одиниці: 1 куб. дм (дм³)=0,001 м³=1000 см³; 1 куб. см (см³)=0,000001 м³=1000 мм³; 1 куб. мм (мм³)=0,000000001 м³; 1 куб. км (км³)=1000000000 м³. Для вимірювання об’єму рідких і сипучих тіл використовують такі одиниці: 1 літр (л), що дорівнює об’єму 1 куб. дм.; 1 мілілітр (мл)=0,001 л; 1 мікролітр (мкл)=0,000001 л; 1 декалітр (дкл)=10 л; 1 гектолітр (гл)=100 л; 1 кілолітр (кл)=1000 л. Аналогічно, як і у випадку з одиницями вимірювання площі, можна ввести позначення старовинних мір об’єму та встановити їхні співвідношення із сучасними мірами об’єму.

6. Поняття величини та способів її вимірювання у курсі математики початкових класів. Величини початкового курсу математики (маса, ціна, кількість, вартість, швидкість, час, відстань тощо), способи та одиниці їх вимірювання, залежність між одиницями вимірювання.

6. Як у практичній діяльності, так і в наукових дисциплінах, що займаються вивченням і вимірюванням величин, зустрічаються найрізноманітніші величини. Найчастіше у практичній діяльності людині доводиться зустрічатися з такими величинами як маса, вага, сила, час тощо. У повсякденному житті дуже часто вживаються такі терміни: вага, маса. Непоодинокі випадки, коли не вбачається ніякої різниці між ними.

Для того, щоб цього не відбувалося, нагадаємо: 1) вага – це сила, з якою тіло притягується Землею; 2) маса – це властивість тіла, що характеризує його інертність і якою користуються для вимірювання ваги тіла шляхом порівняння його з вагою іншого. Якщо маса тіла не змінюється в залежності від місця розташування на Землі, то вага тіла змінюється. Так на полюсі тіло важить на 0,5% більше, ніж на екваторі. Так само, як і для вимірювання розглянутих величин, сутність вимірювання маси полягає у порівнянні маси одного тіла з масою іншого, яке обране за одиницю вимірювання. Можна прийняти аксіоматичне означення поняття “маса тіла”. Таким чином, маса – це невід’ємна скалярна величина, що характеризує міру інертності тіла.

Означення: маса – це невід’ємна скалярна величина, що характеризує міру інертності тіла та має такі властивості:

1. існує тіло, маса якого дорівнює 1;

2. маса тіла, яке складається із кількох частин однорідного матеріалу, дорівнює сумі мас його частин;

3. маси однакових тіл, виготовлених з одного й того ж матеріалу рівні.

Аналогічно, як і при вимірюванні розглянутих величин, при вимірювання маси ми можемо зустрітися з двома випадками: 1) процес вимірювання скінченний, а тоді величина маси виражатиметься невід’ємним раціональним числом; 2) процес вимірювання нескіченний, а мірою маси є невід’ємне ірраціональне число. Основною одиницею вимірювання маси в системі “SI” є 1 кілограм (кг), а похідними: 1 грам (г)=0,001 кг; 1 центнер (ц)=100 кг; 1 тонна (т)=1000 кг.

Інші величини також можна визначити аксіоматично, але, цілком зрозуміло, що в курсі математики початкових класів навряд чи це доцільно з методичної точки зору. Крім того, слід враховувати вікові особливості молодших школярів. Разом з тим, обійтися в курсі математики І-ІУ класів зовсім без вивчення величин неможливо. Саме тому, у пояснювальній записці до програми з математики записано, що основою початкового курсу математики є арифметика цілих невід’ємних чисел та основних величин. Основними завданнями вивчення величин у початкових класах є формування уявлень дітей про деякі види величин, усвідомлення ідеї вимірювання величин, ознайомлення з одиницями вимірювання величин і співвідношенням між ними, формування конкретних уявлень про окремі одиниці вимірювання величин тощо.

Всі величини курсу математики І-ІУ класів можна поділити на дві групи. До першої із них відносять ті, відносно яких ставиться завдання навчити дітей їх вимірювати (довжина, площа). Іншу групу складають величини, відносно яких такого завдання не ставиться (час, швидкість, маса тощо). Зазначимо, що до основних завдань ознайомлення молодших школярів з величинами слід віднести доведення до їхньої свідомості того факту, що однорідні величини можна додавати, віднімати, множити або ділити на число.

До скалярних величин, які вивчаються в курсі математики початкових класів, відноситься також така величина як час. Над проміжками часу можна виконувати такі дії: додавання, віднімання, множення на число, ділення на число, ділення проміжку часу на проміжок часу, якщо вони виражені в однакових одиницях вимірювання, визначаючи при цьому у скільки разів один із них менший чи більший за інший. Для вимірювання проміжків часу використовують спеціальний пристрій – хронометр. Одиницями вимірювання часу, які розглядаються в курсі математики початкових класів є: 1 секунда (с), яка є основною одиницею вимірювання часу в системі «SI»; 1 хвилина (1 хв=60 с); 1 година (1 год=60 хв=3600 с); 1 доба, як проміжок часу, за який Земля робить один повний оберт навколо своєї осі. Вважають, що доба складається приблизно з 24 годин; 1 місяць, який може містити 28, 29, 30 чи 31 добу; 1 рік – це проміжок часу, за який Земля робить один повний оберт навколо Сонця та який містить 365 чи 366 (у високосному році) діб; одне століття, яке складається із ста років.

Одним із практичних завдань курсу математики І-ІУ класів є ознайомлення учнів з такими поняттями як ціна і вартість. Під ціною розуміють кількість грошей, яку слід заплатити за одиницю товару. Вартість розуміють як кількість грошей, що їх необхідно сплатити за кілька одиниць товару або за всю покупку. Одиницями вимірювання цих величин є 1 гривня (грн) та 1 копійка (1 к), причому 1 грн=100 к. Формування уявлень дітей про ціну і вартість відбувається у процесі розв’язування простих задах трьох видів: 1) за відомою ціною і кількість визначити вартість, наприклад: «У магазині купили 5 кг цукру за ціною 3 гривні 40 копійок. Скільки грошей заплатили за покупку?»; 2) за відомою вартістю і ціною визначити кількість, наприклад: «За цукор заплатили 17 грн. Ціна цукру 3 грн 40 коп. Скільки кілограмів цукру купили?»; 3) за відомою кількістю і вартістю визначити ціну, наприклад: «За 5 кг цукру заплатили 17 гривень. Яка ціна цукру?». Крім того, діти виконують вправи на перетворення складених іменованих чисел у прості та, навпаки, простих – у складені, наприклад: 17 грн 15 коп = 1715 коп; 256 коп=2 грн 56 коп. Також навчаються діти виконувати арифметичні операції над простими та складеними іменованими числами, вираженими в одиницях вимірювання ціни чи вартості. Приклади виконання таких вправ представлено у наступній таблиці № 7.1.

Таблиця № 7.1. Дії над іменованими числами.