圆与圆周率切线、弦和弧
在前面的部分,你学了许多与圆有关的概念——如圆心、半径、直径和周长等。不过,还有很多可以帮助我们解决更复杂问题的圆的部分要素。
- 割线 指的是经过圆上任意两点的直线。
- 弦 指的是连接圆上任意两点的线段。
- 切线 指的是与圆只有一个交点的直线。这个点成为__切点__。
- 弧 指的是圆上任意两点间的部分。
- 扇形 指的是一条圆_弧_和经过这条圆弧两端的_两条半径_所围成的图形。
- 还有, 弓形指的是圆上由一条_弦_和所对的_弧_围成的图形。
在本节,我们将研究所有这些要素之间的关系,并证明与它们有关的性质定理。先别着急去记这么多的概念——你还可以使用
切线
即将推出!
弦
即将推出
弧与扇形
大部分的古希腊科学家都认为地球是一个球体。有大量的证据:从轮船在海上消失于地平线,再到夜晚星星的圆周运动。
不幸的是,没有人准确的知道地球有多大——直到公元前200年,数学家
正如你在图中看到的,一条 弧 是圆的
点 A 和点 B 之间的弧通常记为
另个中较短的弧称之为 劣弧,而较长的则称之为 优弧。如果点_A_和点_B_恰好相对且两条弧的长度相等时,我们称之为
计算弧长或扇形面积,我们需要知道它们所在圆中所对的角:也就是 圆心角。
注意观察,弧、扇形和圆心角所占一个完整圆的比例是 相同 的。例如,如果 圆心角为 ,则占了 整个圆的
也就是说 弧长 也是 整个圆周长的
我们可以用下面的公式表示它们间的关系:
那么我们就可以对上面的公式进行变形得到我们想要的量。例如,
弧长 | = | |
= |
扇形面积 | = | |
= |
其中_r_是圆的半径,_c_为圆心角的度数。
如果我们用
弧长 | = | |
= |
扇形面积公式 | = | |
= |
注意公式怎样变得更简洁,而且_π_都被抵消掉了。这就是为什么,你看可能印象,弧度的定义 就是基于半径为1 的圆的弧长。
现在你就知道怎么使用弧和扇形来计算地球的周长了。
在古埃及,尼罗河旁的城市_阿斯旺_。阿斯旺拥有一个奇特的庄园而闻名:每年有个时刻——在6月21日夏至的中午,当阳光照射到一口井的底部时。就在那时,整个井的底部被照亮了,边缘却没有,意味着太阳就在井的正上方。
数学家
埃拉托色尼注意到夏至中午时分,纪念碑有一个投影——这意味着天上的太阳_不是_直射。他推断这可能是因为地球是弯曲的,并意识到利用这个可以计算出地球的周长。
在这里你可以看到阿斯旺水井和亚历山大方尖碑。太阳光线直射到井中,但是与方尖碑有一个夹角并产生了投影。
埃拉托色尼测量了投影的 角度 为7.2°。这个角度与亚历山大港到阿斯旺的 弧线 的 圆心角 相等,因为它们是
现在我们可以使用前面得到的弧长公式:
变形一下,我们就可以算出地球的周长
最后,我们知道圆的周长为
埃拉托色尼的测量是古代一项最重要的实验之一。他的估计地球大小是结果是非常精确的,特别是他只用了非常基本的测量工具。
当然,要把他的原始计算结果翻译成像千米这样的现代单位。在古希腊,距离大小用斯特迪亚(约为160m)表示,但那时没有通用的标准。每个地区都有一点差异,我们也不知道埃拉托色尼用的是哪个。
在后来的几个世纪,科学家们试图用其它的方法来测量地球的半径——有时候结果差异很大,或者就是错误的。
就是因为其中的一个错误方法引导克里斯托弗•哥伦布从葡萄牙向西航行。他以为地球比实际的小很多,并希望抵达印度。事实上,他到达了一个中间完全不一样的大陆:美洲。
弓形
即将推出!