数学也可以这样学:自然、空间和时间里的数学
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圆的形式

我们在哪儿看到过圆形?试着丢一颗石头到池塘里,波纹会从撞击点开始不断向外扩散。

练习四:通过点与直线画同心圆

用绘制角平分线的方法,将圆(周)十六等分,最终将得到一系列由相近切线所构成的同心圆。

① 首先,在纸的正中间轻轻画一条水平线。然后,利用练习一中作直角的方法,再画一条水平线的垂线,两线的相交处为点O,如图1.14所示。

图1.14 画水平线和垂线

② 将4个直角二等分,再将这8个新形成的角二等分。以点O为圆心画一个圆,这将会形成围绕点O 的16个等分点,如图1.15所示。现在,相邻两直线之间的夹角是360°/16=22.5°。

图1.15 画出16个等分点

③为了画出一个同心圆,接下来沿着圆周连接相隔一定份数(如5份)的等分点,如图1.16所示。将等分点以1到16的数字来标示,这样就容易依序连下去了。

图1.16 连接相隔一定份数的等分点

④ 从包含16(=2×16÷2)条直线的直线族造出这样的圆之后,试着再连接每隔6份的等分点,然后试着连接每隔7份的等分点,等等。

最终我们将得到一族近似圆,它们都是由同心圆的切线所构成的。如果每一个这样的圆又由不同颜色的直线所构成,那么将形成一个更加有趣的图形(见图1.17)。通过上述的方法,我们获得了一个纯粹由一系列有序的直线所构成的图形。开动大脑,你还会画出更多像这样神奇的东西。

图1.17 同心圆

在绘图的过程中,连接两点的直线还超出了这两个点。本质上,一条直线可以无限长,两个点只是定义了它的位置。

圆形到处都有,例如花朵的螺旋纹、太阳的圆盘、月亮的截面以及池塘中扩散的涟漪(见图1.18)。

图1.18 池塘中的许多同心圆


下一个练习将探索一些不符合圆的特征的图形。

练习五:构造其他形式

圆的构造可以如练习四所示,如果我们在作图上做一点小小的调整,就会出现相当不同的其他形式。让我们先作图,然后看看身边是否有这样的东西存在。

① 在纸的下方画一条水平线a和一条垂线b,二者相交于点O,如图1.19所示。

图1.19 画水平线和垂线

② 通过点O画等角的辐线。在本例中,我们选定相邻两直线的夹角为15°。

③ 画一个圆,使其圆心略高于点O,然后以数字(1~24)标示圆与20条辐线和两条坐标轴相交的点,如图1.20所示。

图1.20 画等角的辐线与圆

④ 连接每隔5份的分割点,使这些直线穿过这个圆(见图1.21),这将构造出第一条曲线。

图1.21 连接每隔5份的分割点作直线

另外,正如在之前作图中那样以不同颜色的直线连接每隔两份、3份……的分割点,这里给出了由切线所构成的若干近似卵形的图形。一系列不同的形式就出现了(见图1.22)。

图1.22 嵌套的卵形

⑤ 图1.23的素描图显示的是这些曲线或近似卵形的全族的一部分。许多作图如连接每隔6、7、8、9份的分割点,可以依此类推。当圆位于正中心时,这些直线会构成同心圆(见图1.17)。不过,当这个圆偏离中心位置时,嵌套的卵形就会出现。

图1.23 卵形作图

如果选择偶数标示的点,你必须有一个以上的起点,以得到完整的图形。如果是奇数点,则终将回到同一起点上。

你在生活中见过这样的卵形吗?这种形状看起来有点像椭圆。暂且不管它们是不是真的椭圆,我们会注意到某些蛋的样子从外观上看非常接近这些形状。

鸸鹋蛋是一个很好的例子。经过精确的分析,它很接近椭圆,但又不完全是(见图1.24)。其他动物的蛋也类似,不仅是鸟蛋,澳大利亚的鸭嘴兽和针鼹也有椭圆形的蛋。如此已足以表明:蛋与概念性设计的卵形具有显著的相似性。

图1.24 鸸鹋蛋及椭圆

如果以圆为出发点,当把圆一分为六时会发生什么事情?这是值得探索的一件事。大自然中有对六重特性的表征吗?这一点是确定无疑的。