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      “多面體歐拉定理的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)活動設(shè)計

      2006-12-29 00:00:00王懷昌
      中國信息技術(shù)教育 2006年9期


        背景材料
        
        介紹背景:北京時間6月9日22點30分,2006年德國世界杯的開幕式在慕尼黑的安聯(lián)體育場拉開序幕,隨著德國總統(tǒng)克勒宣布大賽開幕,萬眾矚目的世界杯大賽正式開始。首場揭幕戰(zhàn)6月10日零點,德國VS哥斯達黎加,比賽地點是慕尼黑。
        
        問題提出
        
        足球雖然是球體,但實際是由正五邊形、正六邊形橡膠粘合成的多面體加工而成。試問:正五邊形、正六邊形橡皮各有多少塊呢?
        
        觀察
        
        每個小組發(fā)一個足球,讓學(xué)生進行觀察。各個小組仔細觀察足球的構(gòu)造,回答上述問題。
        結(jié)論:
        (1)每塊正五邊形橡皮周圍都是正六邊形橡皮。
        (2)每兩個相鄰的多邊形恰有一條公共的邊。
        (3)每個頂點處都有三塊橡皮,而且都遵循一個正五邊形、兩個正六邊形。
        (4)共32個面,更進一步可以得到60個頂點,90條棱……
        
        思考
        
        僅有上面1~3的信息,能不能求出來足球共有多少個面?
        這個問題,希望通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)之后,你能夠進行回答。
        打開互動程序——多面體http://www.hudong-xuexi.com/check.do?func=1&moduleID=87。
        
        多面體歐拉公式的發(fā)現(xiàn)
        
        實驗探索,歸納猜想
        運行“多面體”互動程序(http://www.hudong-xuexi.com/check.do?func=1&moduleID=87),通過拖動鼠標可以旋轉(zhuǎn)多面體,以便從不同角度觀察多面體,通過三維模型直觀性更強。如圖1所示。
        學(xué)生分小組進行觀察、討論、總結(jié),然后表述各自的觀點,最后共同總結(jié)出下述的結(jié)論。
        
        發(fā)現(xiàn)規(guī)律
        以小組為單位對上面的表格進行討論,研究各個數(shù)值的關(guān)系。
        結(jié)果:V+F-E=2。
        
        引申問題
        
        
        
        
        圖2圖3
        圖2是帶洞的多面體,圖3是兩個頂部相連的四面體,這時前面的結(jié)論還成立嗎?引導(dǎo)學(xué)生討論,引出前面結(jié)論的限制條件。
        教師說明:上面的反例都不能被看成是“真正的”多面體,因為一個真正的多面體應(yīng)當是無空穴的、無重疊的。
        歸納簡單多面體的定義:連續(xù)變形中表面能變?yōu)橐粋€球面的多面體,叫做簡單多面體。
        歐拉公式:對任何簡單的多面體,V+F-E=2成立。
        
        正多面體
        運行“正多面體”互動程序(http://www.hu-dongxuexi.com/check.do?func=1&moduleID=88),如圖4所示。
        正多面體只有五種,對于這五種多面體,仔細觀察完成表2。
        正多面體的定義:每個面都是有相同邊數(shù)的正多邊形,且以每個頂點為其一端都有相同數(shù)目的棱的凸多面體。
        觀察思考:要求學(xué)生通過觀察,思考下列問題。
        (1)對于正二十面體,每個面都是正三角形,從每個頂點出發(fā)3條棱,由這些條件能不能計算出它的頂點數(shù)?
        (2)兩個相同的正四面體讓它們的一個面重合,這時是不是正多面體?
        (3)除了歐拉公式之外,正多面體的頂點數(shù)V、面數(shù)F和棱數(shù)E之間還有沒有別的關(guān)系?
        
        典型例題
        例1:1996年的諾貝爾化學(xué)獎授予對發(fā)現(xiàn)C60有重大貢獻的三位科學(xué)家。C60是由60個原子組成的分子,它的結(jié)構(gòu)為簡單多面體的結(jié)構(gòu),這個多面體有60個頂點,從每個頂點都引出3條棱,各面的形狀分為五邊形或六邊形兩種,計算C60分子中形狀為五邊形和六邊形的面各有多少?
        解:設(shè)C60分子中形狀為五邊形和六邊形的面各有x個和y個多面體的頂點數(shù)V=60,面數(shù)F=x+y,棱數(shù)E=
         (3×60)。根據(jù)歐拉公式,可得60+(x+y)-(3×60)=2。
        另一方面,棱數(shù)也可由多邊形的邊數(shù)來表示,即
         (5x+6y)=(3×60)。
        由以上兩個方程可解出:x

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