线段旋转的面积问题

来源 :中学数学杂志(初中版) | 被引量 : 0次 | 上传用户:abcdefghijklmn
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  旋转虽然在初中课本出现的并不多,但是却经常与函数组合成复杂的数学问题;许多对数学感兴趣并且空间思维敏锐的学生,也经常深入分析旋转中的面积问题,并且提出各种各样的疑问和见解.下面笔者将和大家一起来探究在旋转过程中,线段扫过的面积问题.
  首先根据旋转中心位置的不同,把线段的旋转分为三类:旋转中心为线段的端点,旋转中心在线段上,旋转中心在线段之外.
  旋转中心为线段的端点.如图1,可以很明显看出,线段扫过的面积为扇形的面积,从而得出(0°<α≤360°).(注:本文旋转角α的范围为0°<α≤360°)
  旋转中心在线段的端点之间.通过图2我们亦可以轻松得出,旋转角度小于180°时,线段扫过的面积为两块扇形的面积和.即:S=α360π(BC2+AC2)(0°<α≤180°).
  先看最简单的图11,很显然在旋转角大于等于360°的情况下,阴影区域为一个圆环,这个圆环可以看做是线段AC所扫出的阴影,因为线段BC被覆盖,所以在此情况下可以直接当线段BC不存在.因此面积为S=π(OA2-OC2)=πAC2(α=360°).
  图7、8、9、10我们从整体上想象下:用剪刀沿着A′B′(图10沿着A′E与AC)把阴影分成两部分,大的部分为线段AC旋转扫过的面积,小的部分为线段BC旋转扫过的没被大的阴影覆盖的面积;所以此类面积可以分成两部分相加.第一部分线段AC扫过的面积为S1=α360π(OA2-OC2)=α360πAC2.图8、9中第二部分为以OB为半径的弓形面积(注:∠BOC=β,这个角必须给出或者可以根据长度用三角函数很容易求出,否则面积无法计算).则弓形面积为:S2=2β360πOB2-OC×BC.只有旋转角在2∠BOC与360°-2∠BOC之间时,第二部分才为一个弓形.所以图8、9总体的阴影面积为:S=S1+S2(2β≤α≤360°-2β).〖TPhd-6.tif,Y〗〖TS(〗〖JZ〗图12〖TS)〗
  图7中的第二部分为不规则图形,下面单独把图7里面两个圆的部分放大.如图12所示,区域①(弧BB′,线段B′E及线段BE围合而成)为线段BC扫过还没有被覆盖的区域,区域②(弧BD′,线段BE及线段ED′围合而成)为线段BC没有扫过,线段CD旋转到线段C′D′的位置,也没有扫到的区域(即图7中的空白区域).我们发现区域①+区域②就是之前所求过的弓形,所以如果能把区域②面积求出,那么那个不规则的区域①的面积就知道了.
  我们知道∠BOD=2β,当点D′到达或超过点B时,区域②就不存在了,就变成了图8、9这种情况.所以图7是在旋转角α<2β的情况下出现的.
  下面我们专注于扇形OBD′这个区域,做EF垂直OB与点F.∠BOD′=∠BOD-∠DOD′=2β-α,∠BOE=12(2β-α)=β-α2,∠OBE=90°-∠BOC=90°-β.因为OF=EF·cot∠BOE=EF·cot(β-α2),FB=EF·cot∠OBE=EF·cot(90°-β)=EF·tanβ,OF+FB=OB.所以OB=EF·〖JB([〗cot(β-α2)+tanβ〖JB)]〗,所以EF=OBtanβ+cot(β-α2)所以区域②的面积为扇形减去俩三角形:S3=2β-α360πOB2-OB2tanβ+cot(β-α2).则区域①面积为之前所求弓形面积减去区域②面积:S4=2β360πOB2-OC×BC-〖JB([〗2β-α360πOB2-OB2tanβ+cot(β-α2)〖JB)]〗.
  所以图7总的面积为:S=S1+S4(0<α<2β).
  经过图7的分析,后面就简单多了.图10与图7是一模一样的,刚图7里面第二块阴影是空白部分需要减去,在图10里面,第二块面积正好是重叠部分,也是需要减去,在这里需要大家注意的只有一件事情,就是α的取值范围.通过上面分析我们可以得出当360°-2β<α<360°时,图10这种情况就出现了.
  因为∠B′OD=α+2β-360°,所以∠B′OE=12(α+2β-360°).
  下面只需要把角度改一下,重叠部分的面积就出来了:
  S5=α+β-360360πOB2-OB2tanβ+cot(α2+β).
  那么弓形面积-重叠部分就是:
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