强基初中数学&学Python——第165课 关于矩形的数学活动


  活动1——折纸做60°,30°,15°的角

  我们知道一副三角尺有60°,30°,45°的角,45°-30°=15°,因此通过一副三角尺是可以画出60°,30°,15°的角。如果我们身旁没有量角器或三角尺,只有长方形的纸片,又需要作60°,30°,15°等大小的角。对折成一个正方形,它的对角线平分直角可得到45°角,60°=2×30°,所以关键是制作出30°的角。90÷30=3,也就是三分直角的问题。

  根据以往的经验,先研究三分直角的性质,然后研究这些性质的逆命题,最后才能得到解决方案。

  如下图,射线BM和BN是矩形ABCD的∠ABC的三分线,以B点圆心BA为半径作圆交BN与N点,过N点作BC的平行线交AB于E点,交CD于F点,求证:E是AB中点,F是CD中点。

 

  分析:由于EF//BC,要E、F是中点,就要EF上任一点到BC的距离都是AB的一半,即N点到BC的距离NQ也是AB的一半,由NQ是Rt△NBQ的30°对边,斜边等于AB得证。

  证明:N点作BC的距离NQ,在Rt△NBQ中,

  ∵ ∠NBQ=90°/3=30°,

  ∴ NQ=½BN=½AB,

  ∴ EB=½AB,FC=½CD。

  E是AB中点,F是CD中点。

  逆命题:如上图,在矩形ABCD中,E是AB中点,F是CD中点,连接EF,以B点为圆心BA为半径作圆交EF于N点,连接BN,作∠ABN平分线BM,求证:BM,BN是直角ABC的三分线。

  证明:N点作BC的距离NQ,在Rt△NBQ中,

  ∵ NQ=½AB,

  又 AB=BN,

  ∴ NQ=½BN,

  ∴ ∠NBC=30°,∠ABN=90°-∠NBC=60°。

  又 BM是∠ABN的平分线,

  ∴ BM,BN是直角ABC的三分线。

  通过上面的证明,我们可以采用下面的方法三分直角(如下图):

  (1)对折矩形纸片ABCD,使AD与BC重合,得到折痕EF,把纸片展平。

  (2)再一次折叠纸片,使点A落在EF上,并使折痕经过点B,得到折痕BM。同时,得到了线段BN。

 

  (3)折叠矩形,使A点在BC上的O点上,展开得折痕BP。

  这时∠OBN=∠NBM=∠MBA=30°,∠OBM=∠NBA=60°,∠NBP=∠PBM=15°。

  练习题1:在上例基础上,作105°,120°,135°,150°的角。

  

  活动2——黄金矩形

  宽与长的比是(√5-1)/2(约为0.618)的矩形叫做黄金矩形。黄金矩形给我们以协调、匀称的美感。世界各国许多著名的建筑,为取得最佳的视觉效果,都采用了黄金矩形的设计,如希腊的巴特农神庙(下图)等。

 

 

  下面我们折叠出一个黄金矩形:

  第一步,在一张矩形纸片的一端,利用下图的方法折出一个正方形,然后把纸片展平。

 

  第二步,如下图,把这个正方形折成两个相等的矩形,再把纸片展平。

 

  第三步,折出内侧矩形的对角线AB,并把AB折到下图中所示的AD处。

 

  第四步,展平纸片,按照所得的点D折出DE,矩形BCDE(下图)就是黄金矩形。

 

  如下图,正方形ABCD,E是BC中点,以E为圆心,ED为半径作圆,交于BC延长线交于G点,求证:CG:CD=(√5-1):2。

 

  证明:设正方形ABCD的边长是2a,

  那么 ED²=EC²+CD²=a²+4a²=5a²,(勾股定理)

  ∴ ED=√5a,

  ∴ CG:CD=(ED-EC)/CD=(√5a-a)/2a=(√5-1):2。

  练习题2:如下图,正方形ABCD和正方形CEFG,延长FG交AB于H,连接HC和DF,HC//DF。求证:矩形BCGH是黄金矩形。