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在中学数学教学中,作为空间几何体的主要基本载体之一——圆锥,它的直观图画法一直困扰着大家.大家熟知的斜二测圆锥(如图1所示),总有点说不出的别扭,而“生活经验告诉我们”的圆锥(见图2),却又缺少画法依据.
图1 斜二测圆锥
图2 生活经验告诉我们的圆锥
图2中圆锥的底面是我们生活中看到的、也是我们需要的结果,但是凭借正等测或斜二测画法却无法得到我们期望的结果.这里我们引入T平行投影方法来解决这一个问题(所谓T平行投影,其实就是遵从最原始的、直视物体方向的平行投影).
T平行投影方向[1]:设平行投影线与x轴、y轴、z轴的夹角依次为α,90°,90°-α(α为锐角),则称这种投影方向为T平行投影方向,如图3所示.
图3 T平行投影方向
为了说明问题,再回顾一下轴向伸缩系数的定义.
轴向伸缩系数:轴测轴的单位长度与相应直角坐标轴的单位长度的比值,叫作轴向伸缩系数,它的几何意义如图4、图5所示.
图4 斜二测轴测轴单位长度
(作直观图时量取的长度)
图5 斜二测相应直角坐标轴
单位长度(计算用坐标数据)
不难验证下列结论.
结论一:在T平行投影时,直观图上轴测轴方向的线段长度也就是我们直接看到的、投影面上的线段长度(如图3中的AC).所以,图3中x轴的轴向伸缩系数=ACAB=sinα.(AC就是AB在平行投影线法平面上的射影,而AB正是在相应直角坐标系中占有的计算长度)
结论二:在T平行投影方向下,这三个坐标轴的伸缩系数依次为sinα,sin90°,sin(90°-α),即sinα,1,cosα.
对圆锥进行T平行投影时,圆锥底面在视线法平面上的射影就是圆锥直观图中的底面椭圆,如图6所示.设圆锥直观图中的椭圆半短轴为b,半长轴为a,半焦距为c,见图7.且对于图7中的角α′,cosα′=ca=底面橢圆的离心率.
图6
图7
关于T平行投影方向的推论:圆锥直观图的纵向伸缩系数等于圆锥底面椭圆的离心率.
证明 由结论一,sinα=2b2a=ba=sinα′,α=α′,见图7.
由结论二,z轴的轴向伸缩系数=cosα,又α=α′,所以z轴的轴向伸缩系数=cosα′,而cosα′=ca=底面椭圆的离心率,因此,z轴的轴向伸缩系数等于圆锥底面椭圆的离心率.通俗地讲,圆锥纵向伸缩系数等于椭圆离心率.
证毕.
结论在圆锥直观图画法中的意义:
1.我们需要的圆锥直观图可以从T平行投影得到.
下面对高等于底面直径的圆锥,用不同的底面椭圆离心率画出的圆锥直观图比较如下.
图8图9图10
图8为纵向伸缩系数等于1的情形,由推论,c=1,从而底面椭圆退化为直线段;
图9为椭圆短轴等于15长轴时,纵向伸缩系数约等于0.98,直观性较好,比较有利于教学活动,它也是我们期望的结果;
图10椭圆为正等测椭圆,其离心率约等于0.82,它的纵向伸缩系数也约等于0.82,无论是画轴截面还是纵向尺寸的理解,对学生空间想象力的培养都是不利的.
从教学画图的方便性考虑,椭圆短轴等于15长轴是值得推荐的.
图11
2.如果要画的圆锥的高相对于底面直径很小,为了展示其真实比例(所谓真实比例,就是纵向伸缩系数接近于1),那么底面椭圆的离心率也必须接近于1,即这个椭圆要画得很扁,如图11所示.
“圆锥纵向伸缩系数等于椭圆离心率”,结论很好记,应用很方便.
【参考文献】
[1]唐文虎.再论“球体直观图的尺规画法与球体直观图北极点位置定理”[J].上海中学数学,2016(9):34.
图1 斜二测圆锥
图2 生活经验告诉我们的圆锥
图2中圆锥的底面是我们生活中看到的、也是我们需要的结果,但是凭借正等测或斜二测画法却无法得到我们期望的结果.这里我们引入T平行投影方法来解决这一个问题(所谓T平行投影,其实就是遵从最原始的、直视物体方向的平行投影).
T平行投影方向[1]:设平行投影线与x轴、y轴、z轴的夹角依次为α,90°,90°-α(α为锐角),则称这种投影方向为T平行投影方向,如图3所示.
图3 T平行投影方向
为了说明问题,再回顾一下轴向伸缩系数的定义.
轴向伸缩系数:轴测轴的单位长度与相应直角坐标轴的单位长度的比值,叫作轴向伸缩系数,它的几何意义如图4、图5所示.
图4 斜二测轴测轴单位长度
(作直观图时量取的长度)
图5 斜二测相应直角坐标轴
单位长度(计算用坐标数据)
不难验证下列结论.
结论一:在T平行投影时,直观图上轴测轴方向的线段长度也就是我们直接看到的、投影面上的线段长度(如图3中的AC).所以,图3中x轴的轴向伸缩系数=ACAB=sinα.(AC就是AB在平行投影线法平面上的射影,而AB正是在相应直角坐标系中占有的计算长度)
结论二:在T平行投影方向下,这三个坐标轴的伸缩系数依次为sinα,sin90°,sin(90°-α),即sinα,1,cosα.
对圆锥进行T平行投影时,圆锥底面在视线法平面上的射影就是圆锥直观图中的底面椭圆,如图6所示.设圆锥直观图中的椭圆半短轴为b,半长轴为a,半焦距为c,见图7.且对于图7中的角α′,cosα′=ca=底面橢圆的离心率.
图6
图7
关于T平行投影方向的推论:圆锥直观图的纵向伸缩系数等于圆锥底面椭圆的离心率.
证明 由结论一,sinα=2b2a=ba=sinα′,α=α′,见图7.
由结论二,z轴的轴向伸缩系数=cosα,又α=α′,所以z轴的轴向伸缩系数=cosα′,而cosα′=ca=底面椭圆的离心率,因此,z轴的轴向伸缩系数等于圆锥底面椭圆的离心率.通俗地讲,圆锥纵向伸缩系数等于椭圆离心率.
证毕.
结论在圆锥直观图画法中的意义:
1.我们需要的圆锥直观图可以从T平行投影得到.
下面对高等于底面直径的圆锥,用不同的底面椭圆离心率画出的圆锥直观图比较如下.
图8图9图10
图8为纵向伸缩系数等于1的情形,由推论,c=1,从而底面椭圆退化为直线段;
图9为椭圆短轴等于15长轴时,纵向伸缩系数约等于0.98,直观性较好,比较有利于教学活动,它也是我们期望的结果;
图10椭圆为正等测椭圆,其离心率约等于0.82,它的纵向伸缩系数也约等于0.82,无论是画轴截面还是纵向尺寸的理解,对学生空间想象力的培养都是不利的.
从教学画图的方便性考虑,椭圆短轴等于15长轴是值得推荐的.
图11
2.如果要画的圆锥的高相对于底面直径很小,为了展示其真实比例(所谓真实比例,就是纵向伸缩系数接近于1),那么底面椭圆的离心率也必须接近于1,即这个椭圆要画得很扁,如图11所示.
“圆锥纵向伸缩系数等于椭圆离心率”,结论很好记,应用很方便.
【参考文献】
[1]唐文虎.再论“球体直观图的尺规画法与球体直观图北极点位置定理”[J].上海中学数学,2016(9):34.