Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

§ 1 Правильный многогранник

На этом уроке рассмотрим правильные многогранники, а именно симметрию таких фигур. Поговорим о том, кто в своем творчестве обращался к гармонии и красоте правильных многогранников.

Напомним определение правильного многогранника и вспомним, какие именно правильные многогранники существуют и изучаются в геометрии.

Выпуклый многогранник называется правильным, если все его грани - равные правильные многоугольники и в каждой его вершине сходится одно и то же число ребер. Правильных многогранников всего пять: тетраэдр, гексаэдр, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр.

Напомним так же, о каких видах симметрии мы говорим в пространстве - это симметрия центральная (относительно точки), осевая симметрия (относительно прямой) и симметрия относительно плоскости.

§ 2 Элементы симметрии правильного тетраэдра

Рассмотрим элементы симметрии правильного тетраэдра. Он не имеет центра симметрии. Зато прямая, проходящая через середины двух противоположных ребер, является его осью симметрии.

Плоскость, проходящая через ребро АВ перпендикулярно к противолежащему ребру СD правильного тетраэдра АВСD, является плоскостью симметрии. Посмотрите, правильный тетраэдр имеет три оси симметрии и шесть плоскостей симметрии.

§ 3 Элементы симметрии куба

Куб имеет один центр симметрии - точку пересечения его диагоналей. Прямые а и b, проходящие соответственно через центры противоположных граней и середины двух противоположных ребер, не принадлежащих одной грани, являются его осями симметрии. Куб имеет девять осей симметрии. Обратите внимание, все оси симметрии проходят через центр симметрии. Плоскостью симметрии куба является плоскость, проходящая через любые две оси симметрии. Куб имеет девять плоскостей симметрии. Оставшиеся три правильных многогранника так же имеют центр симметрии и несколько осей и плоскостей симметрии. Попробуйте посчитать их число.

§ 4 Многогранники в искусстве

Изучение многогранников увлекало многих творческих людей. Знаменитый художник Альбрехт Дюрер в известной гравюре «Меланхолия» на переднем плане изобразил додекаэдр. Перед вами изображение картины художника Сальвадора Дали "Тайная Вечеря". Это огромное полотно, в котором художник решил посоревноваться с Леонардо да Винчи. Обратите внимание, что изображено на переднем плане картины. Христос со своими учениками изображён на фоне огромного прозрачного додекаэдра. Голландский художник Мориц Корнилис Эшер, родившийся в 1989 году в Леувардене, создал уникальные и очаровательные работы, в которых использован или показан широкий круг математических идей. Правильные геометрические тела - многогранники - имели особое очарование для Эшера. В его многих работах многогранники являются главной фигурой и в еще большем количестве работ они встречаются в качестве вспомогательных элементов. На гравюре "Четыре тела" Эшер изобразил пересечение основных правильных многогранников, расположенных на одной оси симметрии, кроме этого многогранники выглядят полупрозрачными, и сквозь любой из них можно увидеть остальные. В начале XX века во Франции зародилось модернистское направление в изобразительном искусстве, прежде всего в живописи - кубизм, характеризующийся использованием подчеркнуто геометризованных условных форм, стремлением «раздробить» реальные объекты на стереометрические примитивы. Наиболее известными кубистическими произведениями стали картины Пикассо «Авиньонские девицы», «Гитара».

§ 5 Многогранники в природе

Природа создает не менее восхищающие творения. Поваренная соль состоит из кристаллов в форме куба. Скелет одноклеточного организма феодарии представляет собой икосаэдр. Минерал сильвин также имеет кристаллическую решетку в форме куба. Кристаллы пирита имеют форму додекаэдра. Молекулы воды имеют форму тетраэдра.

Минерал сильвин также имеет кристаллическую решетку в форме куба. Кристаллы пирита имеют форму додекаэдра. Молекулы воды имеют форму тетраэдра. Минерал куприт образует кристаллы в форме октаэдров. Вирусы, построенные только из нуклеиновой кислоты и белка, имеют вид икосаэдра.Всем этим мы можем любоваться и восхищаться повсюду.

И в который раз хочется вернуться к словам Иоганна Кеплера немецкого математика, астронома, механика, оптика и астролога, первооткрывателя законов движения планет, который сказал «Математика есть прообраз красоты мира.

Список использованной литературы:

1. Геометрия. 10 – 11 классы: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / [ Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др.]. – 22-е изд. – М. : Просвещение, 2013. – 255 с. : ил. – (МГУ - в школе)
2. Учебно – методическое пособие в помощь школьному учителю. Составитель Яровенко В.А. Поурочные разработки по геометрии к учебному комплекту Л. С. Атанасяна и др. (М. : Просвещение) 10 класс
3. Рабинович Е. М. Задачи и упражнения на готовых чертежах. 10 – 11 классы. Геометрия. – М. : Илекса, 2006 . – 80 с.
4. М. Я Выгодский Справочник по элементарной математике М.: АСТ Астрель, 2006. - 509с.
5. Аванта+. Энциклопедия для детей. Том 11. Математика 2-е изд., перераб.- М.: Мир энциклопедий Аванта+: Астрель 2007. - 621 с. Ред. коллегия: М. Аксёнова, В. Володин, М.Самсонов.

Использованные изображения:

Понятие правильного многогранника (тетраэдр, октаэдр, икосаэдр, куб, додекаэдр).

Определение. Выпуклый многогранник называется правильным, если все его грани равные правильные многоугольники и в каждой его вершине сходится одно и то же число рёбер.

Свойства.

· Все рёбра правильного многогранника равны друг другу;

· Все двугранные углы, содержащие две грани с общим ребром, равны.

Существует только пять типов правильных многогранников:

· Правильный тетраэдр составлен из четырёх равносторонних треугольников. Каждая его вершина является вершиной трёх треугольников. Следовательно, сумма плоских углов при каждой вершине равна .

· Правильный октаэдр составлен из восьми равносторонних треугольников. Каждая вершина октаэдра является вершиной четырёх треугольников. Следовательно, сумма плоских углов при каждой вершине равна .

· Правильный икосаэдр составлен из двадцати равносторонних треугольников. Каждая вершина икосаэдра является вершиной пяти треугольников. Следовательно, сумма плоских углов при каждой вершине равна .

· Куб (гексаэдр) составлен из шести квадратов. Каждая вершина куба является вершиной трёх квадратов. Следовательно, сумма плоских углов при каждой вершине равна .

· Правильный додекаэдр составлен из двенадцати правильных пятиугольников.

Каждая вершина додекаэдра является вершиной трёх правильных пятиугольников. Тогда сумма плоских углов при каждой вершине равна .

2. Теорема Эйлера .

Теорема Эйлера . Для числа граней Г, числа вершин В и числа рёбер Р любого выпуклого многогранника справедливо соотношение Г+В-Р=2.

Пусто n – число рёбер каждой грани, а m – число рёбер сходящихся в каждой вершине. Так как каждое ребро принадлежит двум граням, то n Г=2Р. Каждое ребро содержит по две вершины, значит m В=2Р. Из последних двух равенств и теоремы Эйлера составим систему

.

Решая эту систему, получим , и .

Найдём число вершин, рёбер и граней правильных многогранников:

· Правильный тетраэдр (n =3, m =3)

Р=6, Г=4, В=4.

· Правильный октаэдр (n =3, m =4)

Р=12, Г=8, В=6.

· Правильный икосаэдр(n =3, m =5)

Р=30, Г=20, В=12.

· Куб(n =4, m =3)

Р=12, Г=6, В=8.

· Правильный додекаэдр(n =5, m =3)

· Р=30, Г=12, В=20.

Элементы симметрии правильных многогранников.

Рассмотрим элементы симметрий правильных многогранников.

Правильный тетраэдр

Правильный тетраэдр (рис.1) не имеет центра симметрии.

Оси симметрий тетраэдра (рис.2) проходят через середины двух противоположных рёбер, таких осей симметрий три.

Рис. 2

Рассмотрим плоскости симметрий тетраэдра (рис. 3). Плоскость α, проходящая через ребро AB перпендикулярно ребру CD , будет являться плоскостью симметрии правильного тетраэдра ABCD . Таких плоскостей симметрий шесть.

Рис. 3

Симметрия куба

1. Центр симметрии - центр куба (точка пересечения диагоналей куба) (рис. 4).

2. Плоскости симметрии: три плоскости симметрии, проходящие через середины параллельных ребер; шесть плоскостей симметрии, проходящие через противолежащие ребра (рис. 5).

Рис. 5

3. Оси симметрии: три оси симметрии, проходящие через центры противолежащих граней; четыре оси симметрии, проходящие через противолежащие вершины; шесть осей симметрии, проходящие через середины противолежащих ребер (рис. 6).

В п. 12.1 мы определили правильный многогранник как многогранник, у которого равны друг другу все элементы одного вида: грани, ребра и т.д. Но правильные многогранники можно определить как самые симметричные изо всех многогранников. Это означает следующее. Если мы возьмем на правильном многограннике некоторую вершину А, подходящее к ней ребро а и грань а, подходящую к этому ребру, и еще любой такой же набор то существует такое самосовмещение многогранника,

которое вершину А переводит в вершину А, ребро а - в ребро а, грань а - в грань а.

Докажем это. Так как любые две грани правильного многогранника равны, то существует движение, которое одну из них переведет в другую. Поскольку все двугранные углы этого многогранника равны, то в результате совмещения граней весь многогранник самосовместится или перейдет в многогранник, симметричный исходному относительно плоскости второй грани. Во втором случае симметрия относительно плоскости этой грани завершит процесс самосовмещения правильного многогранника.

Верно и обратное: многогранники, обладающие этим свойством, будут правильными, так как у них окажутся равны все ребра, все плоские углы и все двугранные углы.

Рассмотрим теперь элементы симметрии правильных многогранников.

Начнем с элементов симметрии куба.

1. Центр симметрии - центр куба.

2. Плоскости симметрии (рис. 12.17): 1) три плоскости симметрии, перпендикулярные ребрам в их серединах; 2) шесть плоскостей симметрии, проходящих через противоположные ребра.

3. Оси симметрии: 1) три оси симметрии 4-го порядка, проходящие через центры противоположных граней (рис. 12.18а); 2) шесть осей поворотной симметрии 2-го порядка, проходящие через середины противоположных ребер (рис. 12.186); 4) четыре диагонали куба являются осями зеркального поворота шестого порядка, самосовмещающего куб (рис. 12.18в).

Это самый интересный и не сразу видный элемент симметрии куба. Сечение куба плоскостью, проходящей через его центр перпендикулярно диагонали, представляет правильный шестиугольник; при повороте куба вокруг диагонали на угол 60° шестиугольник отображается на себя, а куб в целом еще нужно отразить в плоскости шестиугольника.

Октаэдр двойственен кубу, и потому у него те же элементы симметрии с той разницей, что плоскости симметрии и оси, проходящие у куба через вершины и центры граней, у октаэдра проходят наоборот: через центры граней и вершины (рис. 12.19). Так, зеркальная ось 6-го

порядка проходит у октаэдра через центры противоположных граней.

Обратимся к элементам симметрии правильного тетраэдра.

1. Шесть плоскостей симметрии, каждая из которых проходит через ребро и середину противоположного ребра (рис. 12.20а).

2. Четыре оси 3-го порядка, проходящие через вершины и центры противоположных им граней, т.е. через высоты тетраэдра (рис. 12.20б).

3. Три оси зеркального поворота 4-го порядка, проходящие через середины противоположных ребер (рис. 12.20в).

Центра симметрии у тетраэдра нет.

В куб можно вписать два правильных тетраэдра (рис. 12.16). При самосовмещениях куба эти тетраэдры либо самосовмещаются, либо отображаются друг на друга. Выясните, при каких самосовмещениях куба происходит самосовмещение тетраэдров, а при каких они отображаются друг на друга.

Убедитесь, что в первом случае получатся все самосовмещения тетраэдра, так что группа симметрии куба включает в себя группу симметрии куба как подгруппу. (См. п. 28.4).

Группы симметрии у додекаэдра и икосаэдра одинаковы, поскольку эти правильные многогранники двойственны

друг другу. У них есть центр симметрии, плоскости симметрии, оси поворотной симметрии и оси зеркальной поворотной симметрии. Труднее всего найти последние из этих элементов симметрии. Укажем, как их построить.

Оси зеркальной поворотной симметрии в икосаэдре (так же, как и в кубе) соединяют противоположные вершины этого многогранника (рис. 12.21), а в додекаэдре (как и в октаэдре) эти оси идут через центры их параллельных граней (рис. 12.22). Плоскости, проходящие через центры симметрии правильных многогранников и перпендикулярные указанным осям, пересекают правильные многогранники по правильным многоугольникам (рис. 12.23).

В частности, додекаэдр и икосаэдр они пересекают по правильным десятиугольникам (рис. 12.23 г,д). Из сказанного следует, что икосаэдр и додекаэдр самосовмещаются зеркальными поворотами относительно осей шестого и десятого порядков.

Найдите самостоятельно более простые элементы симметрии икосаэдра и додекаэдра - плоскости симметрии и оси поворотной симметрии.