例题一|8厘米单月牙
条件与上方问题一致。求 L 的面积。
- BD²=8²+8²=128平方厘米;半圆H面积为16π平方厘米。
- 90°扇形Q面积=π×8²÷4=16π平方厘米,所以Q=H。
- 共同减去弓形U,L=T=8×8÷2=32平方厘米。
若AB=AD=6厘米,其余构造相同,则L=6×6÷2=18平方厘米。相似比3/4,面积比9/16,32×9/16=18,结果相符。
平面几何 · 面积方法
先证明两个整体等积,再减去同一块曲边区域。
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自拟问题:△ABD 在 A 处为直角,AB=AD=8厘米。以 A 为圆心、AB 为半径,从 B 到 D 作四分之一圆弧;以 BD 为直径,在直线 BD 的另一侧(不含 A 的一侧)作半圆。求两条弧之间绿色月牙 L 的面积。
第1步 / 共4步:认清边界。
绿色 L 是月牙;棕色 U 是四分之一圆弧与弦 BD 围成的弓形;淡绿色 T 是三角形 ABD。
当前8厘米单月牙模型
32 平方厘米
Q=H,Q=T+U,H=L+U。
两边减去 U,得到 L=T。
图只帮助定位区域,等积依据在下方证明;月牙与三角形并不全等。
学会为曲边区域命名、证明两个整体等积,并用面积可加性消去公共部分。S班进阶是把单月牙推广到一般直角三角形的双月牙;A/S为本项目教学深度编排,不代表已核实的当地课纲。
主线前置:三角形面积、正方形面积、圆与半圆面积、90°扇形面积,以及等腰直角三角形的两个锐角各为45°。下面用四块三角形拼图推出斜边平方关系,无需先学勾股定理,也不必计算含根号的斜边长度。双月牙例题与练习二为进阶选学;其中一般直角三角形的平方关系另附割补推导,圆周角与坐标证明只作严谨性补充。
设 AB=AD=a>0,BD=c。T、U、L在本页始终表示图中的同一类区域,Q为四分之一圆扇形ABD,H为BD外侧半圆。
取四个与△ABD完全相同的纸片,把它们的直角顶点都放在同一点O,沿O依次排满一周。四个直角合起来是360°;每条从O伸出的边都长a,相邻纸片沿整条直角边贴合,内部不重叠、不留空隙。
拼图的四条外边都是原三角形的斜边c。每个外侧顶点由两个45°拼成90°,所以外轮廓是边长c的正方形。它的面积既是c²,也是四个三角形的面积和:
这条关系由面积割补得到。a=8时,c²=4×32=128;不需要先求c是多少。
本补充用于核对严格边界,不是主线阅读的必备前置。若已学圆周角:在四分之一圆弧BD上取非端点P,∠BPD=135°,大于90°,所以P位于以BD为直径的圆盘内;结合弦BD和圆盘的凸性,整个弓形U也在内。以下再用坐标作独立核对。
令 A=(0,0),B=(a,0),D=(0,a)。U中的点满足 x≥0、y≥0、x+y≥a、x²+y²≤a²。以BD为直径的圆盘满足 (x−a/2)²+(y−a/2)²≤a²/2,即 x²+y²≤a(x+y)。由于 x²+y²≤a²≤a(x+y),U全部在该圆盘中,又位于BD外侧,因此U在H中。这里的坐标只作集合包含证明,正文主线仍是面积消去。
条件与上方问题一致。求 L 的面积。
若AB=AD=6厘米,其余构造相同,则L=6×6÷2=18平方厘米。相似比3/4,面积比9/16,32×9/16=18,结果相符。
△ABC在C处为直角,AC=6厘米、BC=8厘米、AB=10厘米。以AB为直径,在含C一侧作大半圆;C在大半圆弧上。分别以AC、BC为直径,在三角形外侧作小半圆。每个小半圆在大半圆外的部分为一个月牙,记L₁、L₂。求两个互不重叠月牙的面积和。
结构变了:一般直角三角形只保证“两个月牙的和”等于三角形面积;没有证明每个月牙都等于半个三角形。本例不能据此认定每个是12平方厘米。
取四个全等的直角三角形,两直角边长b、d,斜边长c。在边长b+d的大正方形四角各放一块,让直角贴住大正方形的角;每条外边由一段b和一段d接成。四条斜边围成中间空白:它们都长c,每个内角都是180°减去原三角形的两个锐角,即90°,所以空白是边长c的正方形。
同一大正方形的面积为 (b+d)²=4×bd/2+c²。展开得 b²+2bd+d²=2bd+c²,双方减去2bd,得到b²+d²=c²。这是一般勾股关系的面积割补证明。
圆周角补充(需先学圆周角定理):C在直径AB的圆上,因为∠ACB=90°。在大圆的劣弧AC上取非端点P,∠APC=180°−∠ABC>90°,故P在直径AC的圆盘内;整个对应弓形也在该圆盘内。BC同理。这保证了本例分块时,没有把小半圆之外的区域也拿来相减。
一般式:若两直角边为b、d,斜边为c,由上面的割补关系b²+d²=c²,双月牙面积和为bd/2。月牙分别位于两直角边的三角形外侧,彼此不重叠。
以下均为本页自拟教学题,先写出等积依据,再计算。
沿用例题一的单月牙构造,AB=AD=10厘米。求月牙面积;与8厘米模型的面积比是多少?
H与Q的面积都为25π平方厘米,减去同一U,L=T=10×10÷2=50平方厘米。面积比50:32=25:16,也等于边长比5:4的平方。不能按边长比直接乘面积。
沿用例题二的双月牙构造,两直角边5厘米、12厘米,斜边13厘米。求月牙面积和。能否直接说每个15平方厘米?
5²+12²=13²,因此两小半圆面积和等于大半圆。减去两块对应弓形,双月牙面积和=5×12÷2=30平方厘米。推导只确定和,不确定各自相等;本例两直角边不同,没有对称性依据,不能直接平分为15平方厘米。
若AB=6、AD=8,在A处为直角,则以BD为直径的半圆面积为25π/2;若仍拿半径6的四分之一圆比较,其面积为9π,两者相差7π/2,根本不等积。而且半径6的圆弧不会通过距离A为8的D,所谓同一弓形也不存在。原构造已被破坏,不能画一条类似曲线就把月牙换成24。
解题顺序:准确说明圆心、半径与方向 → 为区域命名 → 证明整体等积 → 核对分块与包含关系 → 同时减去 → 求直边图形面积。
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等腰直角三角形,两条直角边都是八厘米。以直角顶点为圆心,画四分之一圆,再以斜边为直径向外画半圆。
斜边的平方是八的平方加八的平方。半圆面积是圆周率乘斜边平方除以八,恰好等于四分之一圆面积。
两条弧和同一条斜边围出公共弓形。四分之一圆,是三角形加弓形;半圆,是月牙加同一块弓形。
两个整体面积相等,减去同一块弓形,剩下的月牙与三角形就等面积。八乘八除以二,得到三十二平方厘米。
把两条直角边都改成六厘米,构造不变。月牙仍然等于三角形,面积是十八平方厘米。等面积不表示形状全等。
若两条直角边不同,便不能照搬这个单月牙结论。先证明整体相等,再确认减去同一部分,才允许等量替换。