Методическое обоснование изучения темы "Многоугольники"

Многоугольник. Площадь многоугольника

Тема «Многоугольник. Площадь многоугольника» является неотъемлемой частью школьного курса математики, что вполне естественно. Ведь исторически само возникновение геометрии связано с потребностью сравнения земельных участков той или иной формы. В школьном курсе математики изучается множество способов нахождения площадей плоских геометрических фигур, большинство из которых часто применяются не только в решении задач на уроках математики, но и в повседневной жизни. Материал о площади плоских фигур «разбросан» по всему курсу математики, в разных учебниках он преподносится по-разному. Данная курсовая работа направлена на то, чтобы обобщить и систематизировать этот материал и найти наиболее приемлемый способ его представления. Целью данной работы является раскрытие понятия площади, ее основных свойств, а также выявление основных методических трудностей при изучении данного понятия и путей их преодоления.

Словом площадь школьники пользуются уже в начальной школе. Математика в начальных классах - это, прежде всего знакомство с основными математическими терминами, понятиями и величинами, одной из которых и является площадь. Однако, непосредственное введение понятия «площадь» и изучение площади как величины начинается только в пятом классе. Геометрический материал в I - VI классах распределен по всему курсу математики. Он составляет содержание так называемого пропедевтического курса геометрии. Основные цели этого курса - подготовить учащихся к сознательному усвоению систематического курса геометрии VII - IX классов. Задачами данного курса являются развитие у учащихся логического мышления, знакомство их с основными геометрическими понятиями, развитие пространственного мышления; формирование навыков измерения геометрических величин, построения геометрических фигур и т.д. Но и перейдя в пятый класс, учащиеся не сразу приступают к изучению площади. Это понятие вводится только во второй четверти. Как и в случае введения любого другого понятия, введению понятия «площадь» должно предшествовать изучение ряда объектов и понятий, на которые учащиеся опираются при изучении данного понятия. В нашем случае такими понятиями являются отрезок, длина отрезка, квадрат числа.

В школьных учебниках площадь многоугольника определяется с помощью указания ее свойств:

численное значение площади любого много угольника всегда положительно;

площади равных многоугольников, т.е. многоугольников, которые можно совместить с помощью движения, одинаковы;

площадь многоугольника, полученного объединением двух многоугольников, не имеющих общих внутренних точек, равна сумме площадей составляющих многоугольников (многоугольники, не имеющие общих внутренних точек, будем называть не перекрывающимися);

площадь квадрата со стороной единичной длины равна единице. В различных учебниках определения площади несколько отличаются друг от друга, но суть определений совпадает с указанным выше.

Таким образом, площадь многоугольников можно трактовать как функцию S(F), заданную на множестве {F} всех многоугольников, принимающую числовые значения и обладающую следующими свойствами (их иногда называют аксиомами площади):

(положительность площади) для любого многоугольника F справедливо S(F) 0;

(инвариантность площади) если , то символ «» здесь обозначает, что многоугольники и могут быть совмещены движением;

(аддитивность площади) если и многоугольники и не перекрываются, то S(F) = S(F2) + S(F2);

(нормированность площади) для квадрата Е со стороной единичной длины S(E) = 1.

Это определение по своему характеру сродни, например, определению арифметического корня : b -- есть неотрицательное число, n-я степень которого равна а.

Ведь и в этом случае арифметический корень b определяется указанием его свойств. Для корректного определения арифметического корня надо доказать, что такое число b, во-первых, существует и, во-вторых, единственно. Первое следует из того, что множество значений функции f(x) = хn ( и ) есть . Второе следует из строго монотонного возрастания рассматриваемой функции.

Для корректного определения площади многоугольников -- функции S(F) -- требуется доказать, что такая функция существует и единственна.

Многим сам вопрос (об определении площади) покажется искусственным: они скажут, что площадь -- первичное понятие, не подлежащее определению.

Взгляд на площадь как на первичное понятие сложился еще в древности. До недавнего времени этого взгляда придерживались и математики. На протяжении многих столетий они видели задачу в вычислении площадей; им не приходило в голову, что «площадь» нуждается в специальном определении.

Между тем их вычисления должны были на чем-то основываться -- если не на прямом определении, то на чем-то, его заменяющем, на каких-то принципах, которые позволяли им всякий раз получать в качестве площади определенное число. И такие принципы, конечно, существовали, хотя обычно не формулировались. Это -- основные свойства площади. Так, в школьных учебниках площадь многоугольников вообще не определяется, но указываются ее свойства, соответствующие аксиомам площади, или определения носят формально дескриптивный характер, но свойства, определяющие площадь, используются не для построения общей функции S(F) (об этом речи нет), а для вычисления площади основных плоских фигур: прямоугольника, параллелограмма, треугольника, трапеции и плоских фигур, составленных из этих основных.

Познакомившись с понятием «площадь» в пятом классе и научившись измерять площадь плоских фигур непосредственно (путем подсчета единичных квадратов, умещающихся в данной фигуре), учащиеся сталкиваются с проблемой неточности при таком способе измерения. Здесь вводится так называемый косвенный метод измерения площади. То есть площадь не измеряется, а вычисляется по какой-то формуле. И поэтому на протяжении всего курса математики школьники учатся не измерять, а вычислять площади плоских геометрических фигур с помощью формул.

Понятие площади и измерение площадей в школьном курсе математики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра алгебры и геометрии

Курсовая работа

Понятие площади и измерение площадей в школьном курсе математики

Выполнил Бржинский А. А.

студент IV курса ФМФ группы «В»

Научный руководитель Марушенко Л. Ю.

ассистент кафедры алгебры и геометрии

Благовещенск 2004

Содержание

Введение

1 Роль и место понятия «площадь» в школьном курсе математики

2 Методика изучения данной темы

2.1 Знакомство с понятием площади

2.2 Площадь прямоугольника

2.3 Площадь параллелограмма

2.4 Площадь треугольника

2.5 Площадь круга

2.6 Площадь произвольного n-угольника

2.7 Площадь правильного n-угольника

2.8 Площадь криволинейной трапеции

Заключение

Литература

Приложение 1

Приложение 2

Введение

Тема «Многоугольник. Площадь многоугольника» является неотъемлемой частью школьного курса математики, что вполне естественно. Ведь исторически само возникновение геометрии связано с потребностью сравнения земельных участков той или иной формы. В школьном курсе математики изучается множество способов нахождения площадей плоских геометрических фигур, большинство из которых часто применяются не только в решении задач на уроках математики, но и в повседневной жизни. Материал о площади плоских фигур «разбросан» по всему курсу математики, в разных учебниках он преподносится по-разному. Данная курсовая работа направлена на то, чтобы обобщить и систематизировать этот материал и найти наиболее приемлемый способ его представления. Целью данной работы является раскрытие понятия площади, ее основных свойств, а также выявление основных методических трудностей при изучении данного понятия и путей их преодоления.

1 Роль и место понятия «площадь в школьном» курсе математики

Словом площадь школьники пользуются уже в начальной школе. Математика в начальных классах — это, прежде всего знакомство с основными математическими терминами, понятиями и величинами, одной из которых и является площадь. Однако, непосредственное введение понятия «площадь» и изучение площади как величины начинается только в пятом классе. Геометрический материал в I — VI классах распределен по всему курсу математики. Он составляет содержание так называемого пропедевтического курса геометрии. Основные цели этого курса — подготовить учащихся к сознательному усвоению систематического курса геометрии VII — IX классов. Задачами данного курса являются развитие у учащихся логического мышления, знакомство их с основными геометрическими понятиями, развитие пространственного мышления; формирование навыков измерения геометрических величин, построения геометрических фигур и т. д. Но и перейдя в пятый класс, учащиеся не сразу приступают к изучению площади. Это понятие вводится только во второй четверти. Как и в случае введения любого другого понятия, введению понятия «площадь» должно предшествовать изучение ряда объектов и понятий, на которые учащиеся опираются при изучении данного понятия. В нашем случае такими понятиями являются отрезок, длина отрезка, квадрат числа.

В школьных учебниках площадь многоугольника определяется с помощью указания ее свойств:

численное значение площади любого много угольника всегда положительно;

площади равных многоугольников, т. е. многоугольников, которые можно совместить с помощью движения, одинаковы;

площадь многоугольника, полученного объединением двух многоугольников, не имеющих общих внутренних точек, равна сумме площадей составляющих многоугольников (многоугольники, не имеющие общих внутренних точек, будем называть не перекрывающимися);

площадь квадрата со стороной единичной длины равна единице. В различных учебниках определения площади несколько отличаются друг от друга, но суть определений совпадает с указанным выше.

Таким образом, площадь многоугольников можно трактовать как функцию S (F), заданную на множестве {F} всех многоугольников, принимающую числовые значения и обладающую следующими свойствами (их иногда называют аксиомами площади):

(положительность площади) для любого многоугольника F справедливо S (F) 0;

(инвариантность площади) если, то символ «» здесь обозначает, что многоугольники и могут быть совмещены движением;

(аддитивность площади) если и многоугольники и не перекрываются, то S (F) = S (F2) + S (F2);

(нормированность площади) для квадрата Е со стороной единичной длины S (E) = 1.

Это определение по своему характеру сродни, например, определению арифметического корня: b -- есть неотрицательное число, n-я степень которого равна а.

Ведь и в этом случае арифметический корень b определяется указанием его свойств. Для корректного определения арифметического корня надо доказать, что такое число b, во-первых, существует и, во-вторых, единственно. Первое следует из того, что множество значений функции f (x) = хn (и) есть. Второе следует из строго монотонного возрастания рассматриваемой функции.

Для корректного определения площади многоугольников -- функции S (F) -- требуется доказать, что такая функция существует и единственна.

Многим сам вопрос (об определении площади) покажется искусственным: они скажут, что площадь -- первичное понятие, не подлежащее определению.

Взгляд на площадь как на первичное понятие сложился еще в древности. До недавнего времени этого взгляда придерживались и математики. На протяжении многих столетий они видели задачу в вычислении площадей; им не приходило в голову, что «площадь» нуждается в специальном определении.

Между тем их вычисления должны были на чем-то основываться -- если не на прямом определении, то на чем-то, его заменяющем, на каких-то принципах, которые позволяли им всякий раз получать в качестве площади определенное число. И такие принципы, конечно, существовали, хотя обычно не формулировались. Это -- основные свойства площади. Так, в школьных учебниках площадь многоугольников вообще не определяется, но указываются ее свойства, соответствующие аксиомам площади, или определения носят формально дескриптивный характер, но свойства, определяющие площадь, используются не для построения общей функции S (F) (об этом речи нет), а для вычисления площади основных плоских фигур: прямоугольника, параллелограмма, треугольника, трапеции и плоских фигур, составленных из этих основных.

Познакомившись с понятием «площадь» в пятом классе и научившись измерять площадь плоских фигур непосредственно (путем подсчета единичных квадратов, умещающихся в данной фигуре), учащиеся сталкиваются с проблемой неточности при таком способе измерения. Здесь вводится так называемый косвенный метод измерения площади. То есть площадь не измеряется, а вычисляется по какой-то формуле. И поэтому на протяжении всего курса математики школьники учатся не измерять, а вычислять площади плоских геометрических фигур с помощью формул.

2 Методика изучения данной темы

На протяжении всего курса математики школьники учатся измерять площади плоских геометрических фигур. И чем больше различных геометрических фигур знают учащиеся, тем больше различных формул и способов вычисления площади им необходимо и тем больший математический «арсенал» для этого нужно задействовать. Возьмем, к примеру, прямоугольник. Для вычисления его площади необходимо всего лишь уметь умножать:. То же самое и в случае параллелограмма:. Далее: треугольник: — уже немного сложнее. При вычислении площади круга учащимся нужно уметь находить квадрат числа и знать отношение длины окружности к ее диаметру:. Площадь параллелограмма и треугольника можно вычислить и другим способом, но для этого нужно знать тригонометрию: ,. Еще одним простым алгоритмом нахождения площади треугольника является формула Герона:. Для ее реализации учащиеся должны уметь извлекать квадратный корень из числа. Наиболее универсальной из всех школьных формул для вычисления площади является интегральная формула площади криволинейной трапеции:. Но она и наиболее сложна — интегрирование часто вызывает у учащихся некоторые затруднения.

2.1 Знакомство с понятием площади

Как уже упоминалось выше понятие площади (и ее измерения) базируется на ряде других понятий. Знакомство с площадью в пятом классе начинается с изучения площади прямоугольника. Учащимся предлагается конструктивное определение площади. Хотя определением его назвать можно с трудом, скорее это правило нахождения площади прямоугольника: «Чтобы найти площадь прямоугольника нужно умножить его длину на ширину"[7] (стр123). То есть уже здесь, на самом первом этапе знакомства с площадью, ее не измеряют, а находят, вычисляя по какому-то алгоритму, какой-то формуле. И уже на этом этапе учитель должен заострить внимание учащихся на том, что площадь необходимо вычислять. И действительно: до этого все мы могли измерять путем непосредственного сравнения с единичной величиной. Для этого есть специальные измерительные инструменты. Чтобы измерить длину отрезка мы брали в руки линейку, для измерения градусной меры угла пользовались транспортиром, массу определяли с помощью весов, а вот для измерения площади таких удобных инструментов нет. Хотя в некоторых случаях учителя используют на своих уроках для измерения площади палетки (прозрачную пленку, расчерченную на клетки). Палетка действительно является инструментом для измерения площади, ведь с ее помощью мы находим площадь фигуры путем сравнения ее с единичной. С методической точки зрения этот инструмент очень хорош на начальной стадии изучения площади, так как помогает ученикам понять саму идею измерения площади, а именно подсчет числа единичных квадратов умещаемых в данной фигуре. Но палетка инструмент не точный и далеко не универсальный, к тому же пересчитывать квадратики — дело весьма утомительное. Именно поэтому чтобы найти площадь ее нужно не измерить, а вычислить.

Но вернемся к «подготовке» учащихся к изучению площади. Основными опорными понятиями, которыми должны владеть учащиеся, чтобы успешно усвоить данную тему являются отрезок, длина отрезка, квадрат числа, формула. К умениям необходимым для изучения данной темы можно отнести умение измерять длину отрезка, производить простейшие алгебраические операции над натуральными числами.

Если с усвоением понятий «отрезок», «длина отрезка» и операции над числами особых трудностей у учащихся не возникает, то с понятиями «квадрат числа» и «формула» дело обстоит немного сложнее.

При работе с формулами у учащихся могут возникнуть трудности в тех случаях, когда одна буква в формуле должна быть заменена каким-либо выражением. (Поэтому следует особое внимание уделить работе с формулами).

В пятом классе при изучении площади прямоугольника учащиеся, помимо единиц измерения площади получают представление об измерении площади подсчетом единичных квадратов. Умножение числа квадратов, укладывающихся в длину прямоугольника на число квадратов в ширину — простой и быстрый способ сосчитать квадраты в прямоугольнике.

Ключевым свойством площади на данном этапе изучения является ее аддитивность. «Площадь всей фигуры равна сумме площадей ее частей» [7](стр123). Именно на аддитивности площади основываются большинство формул для ее вычисления, начиная формулой площади треугольника и заканчивая интегральной формулой для вычисления площади криволинейной трапеции. На отработку этого свойства площади следует обратить особое внимание, в школьных учебниках для этого имеется множество задач. Уже в пропедевтическом курсе математики пятого класса рассматривается задача о площади:

Найдите площадь двухкомнатной квартиры, если площадь обеих комнат 35 м², площадь кухни 9 м², а подсобные помещения занимают общую площадь, а м2. Составьте выражение для решения задачи и найдите его значение при, а = 8, а = 12.

С методической точки зрения данная задача направлена на то, чтобы развить у учащихся навыки работы с формулами и, параллельно дать им представление об одном из основных свойств площади.

2.2 Площадь прямоугольника

С площадью прямоугольника учащиеся знакомятся, уже изучая математику в пятом классе, но более детальное ее рассмотрение начинается в курсе геометрии восьмого ([3]) или девятого ([13]) класса. И в обоих случаях площадь прямоугольника рассматривается как часть темы «Площадь многоугольника».

В пятом и шестом классе уже изучалась площадь прямоугольника и площадь круга, но ни определения площади, ни ее свойств рассмотрено не было. Теперь же учащимся предлагается определение площади как величины той части плоскости, которую занимает многоугольник, и рассматриваются некоторые свойства площади:

1) Равные многоугольники имеют равные площади.

2) Если многоугольник составлен из нескольких многоугольников, то его площадь равна сумме площадей этих многоугольников. (В учебнике эти два свойства названы основными).

3) Площадь квадрата равна квадрату его стороны.

На основе этих трех свойств доказывается теорема о том, что площадь прямоугольника равна произведению его смежных сторон.

Теорема: Площадь прямоугольника равна произведению его смежных сторон.

Доказательство: рассмотрим прямоугольник со сторонами a, b и площадью S (см. рис. 1)

Докажем, что. Достроим прямоугольник до квадрата со стороной, как показано на рисунке. Площадь этого квадрата равна ()2. (по третьему свойству площади) С другой стороны, этот квадрат составлен из данного прямоугольника с площадью S, равного ему прямоугольника с площадью S (первое свойство площади) и двух других квадратов с площадью a2 и b2 (третье свойство площади). По второму свойству имеем:

или.

/

Отсюда получаем. Теорема доказана.

Тема площади прямоугольника играет важную роль в изучении площади вообще, так как служит основой для вывода площади треугольника, параллелограмма и др.

Задача 1: В новой квартире решили постелить паркет. Площадь ванной (2) 7 м², а прихожая (1), ванная (2) и кухня (3) занимают вместе 35 м². Спальня (5) имеет форму квадрата со стороной c=4м, а длина и ширина прямоугольной гостиной (4), соответственно, b=7 м и a=6м. Какую площадь нужно застелить паркетом, если в ванной уже лежит плитка? (Рис. 2)

Решение: Площадь всей квартиры Sкв. равна сумме площадей всех комнат: ванной S2, прихожей S1, кухни, спальни S5 и гостиной S4. Площадь, которую нужно застелить паркетом, равна площади всей квартиры без площади ванной: S=Sкв. -S2.

Найдем площадь гостиной: так как она имеет форму прямоугольника, то S4=ab. Спальня имеет форму квадрата со стороной c, значит S5= c2. Мы не знаем, какая площадь у прихожей и кухни в отдельности, но знаем, что вместе с ванной они занимают площадь S1,2,3=35м2. Итак, площадь всей квартиры равна Sкв.= S1,2,3+ S4+ S5= S1,2,3+ ab + c2, а площадь, которую нужно застелить паркетом S= S1,2,3+ S4+ S5= S1,2,3+ ab + c2- S2

или S=35+ + 42- 7=86м2.

Ответ: 86 м².

2.3 Площадь параллелограмма

Вывод формулы площади параллелограмма сводится к построению прямоугольника, равного данному параллелограмму по площади. Примем одну сторону параллелограмма за основание, а перпендикуляр, проведенный из любой точки противолежащей стороны на прямую, содержащую основание будем называть высотой параллелограмма. Тогда площадь параллелограмма будет равна произведению его основания на высоту.

Теорема: площадь параллелограмма равна произведению его основания на высоту.

Доказательство: рассмотрим параллелограмм АВСD с площадью S. Примем сторону АD за основание и проведем высоты ВН и СК (см. рис. 3). Требуется доказать, что.

Докажем сначала, что площадь прямоугольника НВСК также равна S. Трапеция АВСК составлена из параллелограмма АВСD и треугольника DСК. С другой стороны, она составлена из прямоугольника НВСК и треугольника АВН. Но прямоугольные треугольники DСК и АВН равны по гипотенузе и острому углу (их гипотенузы АВ и СD равны как противоположные стороны параллелограмма, а углы 1 и 2 равны как соответственные углы при пересечении параллельных прямых АВ и СD секущей АD), поэтому их площади равны. Следовательно, площади параллелограмма АВСD и прямоугольника НВСК также равны, то есть площадь прямоугольника НВСК равна S. По теореме о площади прямоугольника, но так как ВС=АD, то. Теорема доказана.

Пользуясь соотношениями между углами и сторонами треугольника можно вывести еще одну формулу для вычисления площади параллелограмма:

Воспользуемся только что полученной формулой и выразим высоту ВН через сторону АВ. В прямоугольном треугольнике АВН ВН — катет, лежащий против угла А, АВ — гипотенуза. Тогда. Площадь параллелограмма равна произведению двух его смежных сторон на синус угла между ними.

Вывод формулы площади параллелограмма в первом случае основан на теме «площадь прямоугольника» и основных свойствах площади, во втором случае — на тригонометрических соотношениях, поэтому для успешного усвоения этих формул необходимо повторить ранее изученный материал.

Задача2: Деревянная рамка, имеющая форму прямоугольника со сторонами a и b, была деформирована так, что длины ее сторон сохранились (рис. 4). Высота получившегося параллелограмма равна h. Выразите площадь получившейся рамки через площадь исходной.

Решение: Начальная рамка имела площадь прямоугольника со сторонами a и b. Значит ее площадь S1= ab.

Так как получившаяся рамка имеет форму параллелограмма, то ее площадь вычисляется по формуле S2=bh. Составим отношение. или, то есть площадь параллелограмма со сторонами равными сторонам прямоугольника во столько раз меньше площади прямоугольника, во сколько раз высота, проведенная к одной стороне больше другой стороны.

2.4 Площадь треугольника

Существует несколько формул для вычисления площади треугольника. Рассмотрим те, что изучаются в школе.

Первая формула вытекает из формулы площади параллелограмма и предлагается учащимся в виде теоремы: площадь треугольника равна половине произведения его основания на высоту.

Доказательство: пусть S — площадь треугольника АВС (см. рис. 5). Примем сторону АВ за основание треугольника и проведем высоту СН. Докажем, что.

Достроим треугольник АВС до параллелограмма АВDС так, как показано на рисунке 5:

Треугольники АВС и DСВ равны по трем сторонам (ВС — их общая сторона, АВ=СD и АС=ВD как противоположные стороны АВСD), поэтому их площади равны. Следовательно, площадь S треугольника АВС равна половине площади параллелограмма АВСD, то есть. Теорема доказана.

Важно обратить внимание учащихся на два следствия, вытекающих из данной теоремы. А именно:

1) площадь прямоугольного треугольника равна половине произведения его катетов.

2) если высоты двух треугольников равны, то их площади относятся как основания.

Эти два следствия играют важную роль в решении разного рода задач. С опорой на данную доказывается еще одна теорема, имеющая широкое применение при решении задач: если угол одного треугольника равен углу другого треугольника, то их площади относятся как произведения сторон, заключающих равные углы.

Доказательство: пусть S и S1 — площади треугольников АВС и А1В1С1, у которых углы, А и А1 равны (см. рис. 6).

/

Докажем, что

Наложим треугольник А1В1С1 на треугольник АВС так, чтобы вершина А1 совместилась с вершиной А, а стороны А1В1 и А1С1 наложились соответственно на лучи АВ и АС. Треугольники АВС и АВ1С имеют общую высоту СН, поэтому Треугольники АВ1С и АВ1С1 также имеют общую высоту — В1Н1, поэтому Перемножая полученные равенства, находим: или. Теорема доказана.

Вторая формула тоже связана с параллелограммом: Площадь треугольника равна половине произведения двух его сторон на синус угла между ними. Существует несколько способов доказательства этой формулы и один из них — достраивание треугольника до параллелограмма.

Докажем, что. Достроим треугольник АВС до параллелограмма АВDС (см, рис. 7)

Треугольники АВС и DСВ равны по трем сторонам (ВС — общая сторона, АВ=DС, АС=DВ как противолежащие стороны параллелограмма). Площадь параллелограмма можно найти по формуле. Тогда по основным свойствам площади площадь треугольника АВС равна. Что и требовалось доказать.

Третья формула для площади треугольника — формула Герона названа так в честь древнегреческого ученого Герона Александрийского, жившего в первом веке нашей эры. Эта формула позволяет находить площадь треугольника, зная его стороны. Эта формула удобна тем, что позволяет не делать никаких дополнительных построений и не измерять углов. Ее вывод основывается на второй из рассмотренных нами формул площади треугольника и теореме косинусов:

Площадь треугольника можно вычислить по формуле, где угол г — угол треугольника, противолежащий стороне с. По теореме косинусов. Отсюда. Значит,

Замечая, что, где, получаем:

. Таким образом,

Тема «Площадь треугольника» имеет большое значение в школьном курсе математики. Треугольник — простейшая из геометрических фигур. Он является «структурным элементом» школьной геометрии. Подавляющее большинство геометрических задач сводятся к решению треугольников. Не исключение и задача о нахождении площади правильного и произвольного n-угольника.

2. 5 Площадь круга

Формула для вычисления площади круга вводится в VI классе. Перед тем, как записать формулу для площади круга, учащиеся выясняют зависимость между длиной окружности и ее диаметром. Важно, обратить внимание учащихся на отношение, (- длина окружности, а — ее диаметр) и показать, что для любой окружности значение выражения= - есть величина постоянная, приближенно равная 3,14.

Полный вывод формулы площади круга выходит за рамки математического материала шестого класса, поэтому учащимся предлагается упрощенный вариант получения этой формулы:

На рисунке изображены круг и два квадрата ABCD и EFKM. Радиус круга равен r, поэтому длина стороны квадрата ABCD равна 2r, а его площадь. Площадь треугольника EOF вдвое меньше площади квадрата AEOF, поэтому площадь EFKM вдвое меньше площади квадрата ABCD, то есть равна. Площадь круга S больше площади квадрата EFKM, но меньше площади квадрата ABCD:

.

Примерно площадь круга равна. Можно доказать, что

.

2. 6 Площадь произвольного n-угольника

Отдельно в школе площадь произвольного многоугольника не рассматривается. Однако, в курсе геометрии есть ряд задач, в которых требуется найти площадь произвольного многоугольника. К тому же на практике задача о площади такого многоугольника встречается довольно часто. Поэтому на уроках геометрии следует уделить должное внимание решению подобных задач. Методическая ценность такого рода задач заключается в том, что они, во-первых, хорошо иллюстрируют свойство аддитивности площади, а, во-вторых, помогают учащимся развить навыки нахождения площади треугольника различными способами.

Итак, основная идея нахождения площади произвольного n-угольника — это разбиение его на конечное число треугольников. В результате суммирования площадей треугольников, составляющих данный n-угольник получается искомая площадь.

Нахождение площади n-угольника таким способом лежит в основе доказательства теоремы о площади трапеции.

Теорема: Площадь трапеции равна произведению полусуммы ее оснований на высоту.

Доказательство: Рассмотрим трапецию АВСD с основаниями АD и ВС, высотой ВН и площадью S (см. рис. 9).

Докажем, что.

Диагональ ВД разделяет трапецию на два треугольника АВД и ВСД, поэтому. Примем отрезки АD и ВН за основание и высоту треугольника АВD, а отрезки ВС и DК за основание и высоту треугольника ВСD. Тогда ,. Так как DК=ВН, то. Таким образом,.

Теорема доказана.

2. 7 Площадь правильного n-угольника

Вывод площади правильного n-угольника связан с радиусом вписанной в этот n-угольник окружности и радиусом окружности, описанной около него. При выводе этой формулы используется разбиение n-угольника на n треугольников. Если S — площадь данного правильного многоугольника, а — его сторона, Р — периметр, а r и R — радиусы соответственно вписанной и описанной окружностей, то. Докажем это: Соединив центр данного многоугольника с его вершинами, как показано на рисунке 10, мы разобьем его на n равных треугольников, площадь каждого из которых равна. Следовательно,. Далее, .

2. 8 Площадь криволинейной трапеции

Криволинейной называется трапеция, одна из боковых сторон которой — отрезок кривой.

Нахождение площади криволинейной трапеции рассматривается в школе как одно из применений интеграла. При рассмотрении геометрического смысла интеграла [4] в 11 классе в учебнике так и говорится: «Коротко об интеграле можно сказать так: Интеграл — это площадь». Далее следует определение интеграла:

«Пусть дана положительная функция f определенная на конечном отрезке [a, b]. Интегралом от функции f на отрезке [a, b] называется площадь ее подграфика». «Подграфиком» здесь называется фигура, ограниченная графиком функции f, прямыми x=a и x=b и осью абсцисс, то есть криволинейная трапеция.

Идея нахождения площади криволинейной трапеции заключается в разбиении ее на множество прямоугольников. По свойству аддитивности площади, площадь криволинейной трапеции приближенно равна сумме площадей прямоугольников. Точное же значение площади криволинейной трапеции находят, переходя от суммирования к интегрированию.

Задача: Найти площадь фигуры, заключенной между дугами парабол и.

Решение: Данная фигура ограничена графиками двух функций и, которые пересекаются в точке (1,1). Искомая площадь есть разность площадей криволинейных трапеций и.

Аналитически это можно записать как разность двух интегралов:.

Заключение

Теперь попытаемся подытожить и обобщить все вышесказанное. Среди различных систем величин, изучаемых в школе на различных этапах обучения, учащиеся уже в начальной школе знакомятся с понятием площади плоской фигуры. На первых этапах обучения речь идет об интуитивном представлении о площади, а не о строгом математическом обосновании этого понятия.

Первоначально у учащихся представление о площади плоской фигуры связывается с подсчетом числа единичных квадратов. Изучение площади в школе начинается с рассмотрения площади прямоугольника (стороны которого соизмеримы с линейной единицей измерения). Программа курса геометрии предусматривает знакомство учащихся с вычислением площади с помощью палетки. Использование ее позволяет сделать не только доступным для учащихся изучение вопроса об измерении площади любой плоской фигуры, но и помогает им правильно понять идею измерения площади (подсчет числа единичных квадратов, помещающихся в данной фигуре). Переходя от непосредственного измерения площади путем сравнения ее с единицей измерения к способам косвенного измерения площадей, учителю необходимо обратить внимание учащихся на то, что для измерения площадей нет столь удобных приборов, какие были для измерения длин отрезков и величин углов. Поэтому стоит более внимательно разобраться с величиной — площадью и выявить способы ее нахождения.

Сравнивая свойства площади со свойствами таких величин, как расстояние, угол, мы убеждаемся в том, что:

а) площади можно складывать между собой и умножать на положительные числа;

б) за единицу измерения площади можно выбрать некоторую площадь S, где S=ku, где k — некоторое число, u — единица площади.

С понятием «Площади фигур» впервые учащиеся знакомятся в курсе геометрии V класса. Понятие площади фигуры вводится аксиоматически, но делается это неявно, с опорой на жизненный опыт учащихся. Сначала вводится формула площади прямоугольника (с целыми длинами сторон; длины сторон — конечные десятичные дроби; длины сторон — бесконечные десятичные дроби). На ее основе выводится формула площади параллелограмма; последняя выводится при выводе формул площади треугольника:; (вводится немного позднее);, трапеции, выпуклого многоугольника, описанного около круга; должное внимание уделяется формуле площади круга; формула выводится неявно на уровне наглядных представлений; VII — IX классы — основа — предельный переход от площади правильных вписанных и описанных n-угольников к площади круга. Рассматриваются такие площади подобных фигур: зависимость площади подобных фигур от отношения их линейных размеров; соответствующее соотношение выводится и для простых фигур с помощью разбиения их на конечное число треугольников.

Литература

1. Антонов Н. П., Выгодский М. Я., Никитин В. В., Санкин А. И. Сборник задач по элементарной математике. — М.: Наука, гл. ред. Физ. -мат. лит., 1972.

2. Атанасян Л. С., Бутузов В. Ф., Кадомцев С. Б. и др. Геометрия: Учеб. для 10 — 11 кл. ср. шк. — 3-е изд. — М.: Просвещение, 1994.

3. Атанасян Л. С., Бутузов В. Ф., Кадомцев С. Б. и др. Геометрия: Учеб. для 7 — 9 кл. ср. шк. — 4-е изд. — М.: Просвещение, 1994.

4. Башмаков М. И. Алгебра и начала анализа: Учеб. для 10 — 11 кл. ср. шк. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1992.

5. Блох А. Я., Гусев В. А., Дорофеев Г. В. и др. Методика преподавания математики в средней школе: Учеб. пособие для студ. пед. ин-тов по фтз. -мат. спец. — М.: Просвещение, 1987.

6. Блох А. Я., Канин Е. С., Килина Н. Г. и др. Методика преподавания математики в средней школе: Общая методика. Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по спец. 2104 «Математика» и 2105 «Физика». — М.: Просвещение, 1985.

7. Виленкин Н. Я., Чесноков А. С., Шварцбурд С. И., Жохов В. И. Математика: Учеб. для 5 кл. ср. шк. — 2-е изд. М.: Просвещение, 1992.

8. Виленкин Н. Я., Чесноков А. С., Шварцбурд С. И., Жохов В. И. Математика: Учеб. для 6 кл. ср. шк. М.: Просвещение, 1991.

9. Дроздов В. Площадь четырехугольника//Математика: Приложение к газете «Первое сентября», — с. 21 — № 39 2003.

10. Корешкова Т. А., Цукерман В. В. Многоугольники и их площадь в школьном курсе математики. //Математика в школе, с. 70 — № 3 — 2003.

11. Оганесян В. А., Колягин Ю. М., Луканкин Г. Л. и др. Методика преподавания математики в средней школе: Учеб. пособие для студ. физ. -мат. фак. пед. ин-тов. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Просвещение, 1980.

12. Перышкин А. В., Родина И. А. Физика: учеб. для 8 класса ср. шк. — М.: Просвещение 1980.

13. Погорелов А. В. Геометрия: Учеб. для 7 — 11 кл. ср. шк. — 3-е изд. — М.: Просвещение, 1992.