Измерения при различных ограничениях

2. Измерения при различных ограничениях

Для нахождения расстояний, высот, глубин или других размеров реальных объектов не всегда можно обойтись непосредственным их измерением — во многих случаях такие измерения сопряжены с определенными трудностями, а то и вообще практически невозможны [5]. Однако в своей деятельности человеку приходится порой задумываться над тем, как все-таки можно определить интересующую его величину и как сделать это поточнее.

Основными измерительными «приборами», которые всегда имеются «под рукой», являются: шаг, пядь (размах пальцев), сажень (размах рук), уровень глаз (расстояние от земли до глаз) и т. д. Не менее важно следить за надежностью способа, т.е. зависимостью его точности от различных погрешностей, которые неизбежно возникают при работе на местности [11].

Определить длину своего шага, чтобы впоследствии измерять расстояния шагами достаточно легко. Самый простой и, казалось бы, точный способ состоит в том, чтобы сделать один шаг и измерить расстояние между крайними (наиболее удаленными) точками двух ступней. Такой способ явно не годится по двум причинам. Во-первых, расстояние между крайними точками ступней не равно длине шага, а превосходит ее на длину одной ступни (правильнее было бы измерить расстояние, например, между носками двух ступней). Во-вторых, при всем старании вряд ли можно сделать один обычный шаг — для этого вам нужно оказаться в состоянии обычной ходьбы.

Для определения длины шага достаточно пройти какое-либо заранее известное и не слишком короткое расстояние, скажем между соседними километровыми или стометровыми столбиками на шоссе, и поделить это расстояние на количество сделанных шагов.

Отметим, что средняя длина шага взрослого человека примерно равна половине его роста, считая до уровня глаз.

Измеряя какие-либо длины пальцами руки, лучше не отрывать руку от измеряемой поверхности, а приставлять один палец к другому, который затем снова вытягивать в заданном направлении (описанный процесс отдаленно напоминает движение гусеницы). Чтобы найти длину такого размаха своих пальцев, проще всего отложить вдоль какой-нибудь прямой одни или несколько десятков размахов пальцев, а затем поделить на их количество отложенную в результате длину.

§ 3.Преподавание математики в сельской школе

В особое внимание нуждается сельская школа. Ее состояние и уровень работы существенно влияет на социальное развитие села, закрепление молодежи, повышение культурного уровня сельского населения, решение демографических проблем в деревни. Перед сельской школой ставится задача воспитания у учащихся стремления активно участвовать в подъеме сельскохозяйственного производства [19].

Большие возможности естественной органической связи учебного материала с сельскохозяйственным производством имеются у учителя математики. Такая связь может осуществляться различными способами: сообщение учителя на уроках о применении изучаемых вопросов в сельскохозяйственной практике, решение задач прикладного характера, проведение практических работ и экскурсий.

Традиционной и наиболее естественной формой связи учебной работы по математике с сельскохозяйственным производством является решение на уроках задач из сельскохозяйственной практики. С другой стороны, практические задачи способствуют формированию правильного понимания природы математики, развитию материалистического мировоззрения.

Свойства измерения отрезков находят применение на практике. Рассмотрим инструмент (демонстрирует модель—см рис 6,а), с помощью которого удобно производить проверку глубины вспашки. Называется инструмент бороздомером. Он состоит из двух линеек одинаковой длины неподвижной, оканчивающейся угольником, и подвижной. Для замера глубины пахоты бороздомер устанавливают вертикально угольником на непаханую поверхность поля, а подвижную линейку опускают на расчищенное дно борозды Верхний конец подвижной линейки показывает глубину борозды по шкале, нанесенной от верхнею конца неподвижной линейки. Докажем это.

б)

а)

Р

Рис. 6

С геометрической точки зрения нам дан отрезок AD (выполняется рис. 6,б) и точки В и С на нем, причем известно, что АС = = BD Требуется доказать, что CD = АВ.

Решение. Можно записать, что АС = АВ + ВС, BD = ВС + CD Так как А С = BD, то АВ + ВС = = ВС + CD. Отсюда и следует, что CD = АВ.

Свойства прямоугольного треугольника используются при конструировании различных приборов. Рассмотрим модель эклиметра — прибора для измерения на местности величины угла наклона прямой Принцип действия его таков (демонстрируется модель — см. рис. 7, ОР — нить с грузиком). Нить ОР показывает на шкале величину искомого угла. Докажем это. Изобразим прямую SO (рис. 7).

Рис. 7

Угол наклона прямой – это угол, который она образует с горизонтальной прямой. Нить с грузиком – отвес – занимает положение прямой, перпендикулярной горизонтальной прямой. Опустим из точки О перпендикуляр к прямой SB. Получится точка Р. Восстановив из точки О перпендикуляр к прямой SO, получим угол РОВ, величину которого показывает шкала прибора.

Итак, мы пришли к такой геометрической задаче:

Дано:.

Доказать.

Решение. Так как треугольник OPS прямоугольный, то . Согласно основному свойству измерения углов . Поэтому  отсюда и следует, что

На рисунке 8 изображен мерный циркуль, используемый для измерения различных частей тела животного. Шкала циркуля устроена так, что в зависимости от величины х угла АОВ (, когда шарики А и В соприкасаются) она показывает расстояние l между шариками А и В

 

Рис. 8

а) Найдите формулу для градуирования шкалы циркуля (зависимость l от x).

Решение. Из прямоугольного треугольника АСО имеем АС = . Обозначив постоянное для данного циркуля рас­стояние между точками О и А через r , получим:

б) У мерного циркуля фабричного изготовления r = 44 см, угол между кромками т и п в сомкнутом состоянии равен 50°. Какова максимальная величина, которую можно измерить этим циркулем?

Решение Предельный случай измерения, когда кромки т и п образуют развернутый угол. При этом .

Шкала фабричного прибора проградуирована до 75 см.

§4. Факультатив, как одна из форм проведения внеклассной работы по геометрии

Под внеклассной работой по математике понимаются необязательные систематические занятия учащихся с преподавателем во внеурочное время. Следует различать два вида внеклассной работы по математике:

- работа с учащимися, отстающими от других в изучении программного материала (дополнительные внеклассные занятия);

- работа с учащимися, проявляющими к изучению математики повышенный, по сравнению с другими, интерес и способности (собственно внеклассная работа в традиционном понимании смысла этого термина).

Факультативные группы работают на базе общего курса геометрии и не требуют перестройки системы обучения. Занятия такого рода – более массовая форма повышения математической подготовки школьников.

Факультативные занятия необходимо соотносить с основным курсом геометрии. Для достижения такой связи используются разнообразные приемы:

- систематизация, когда соответствующая факультативная тема изучается после того, как в основном курсе накоплен обширный материал, относящийся к данной теме;

- последовательное развертывание теории, когда в основном курсе имеется начальный этап ее построения, не доведенный до обобщающих результатов;

- развернутое описание приложений определенного метода, если в основном курсе они только упомянуты.

Занимаясь на факультативных занятиях, учащиеся имеют большую возможность подготовиться к олимпиадам, к выступлениям на школьных математических вечерах. Тем самым факультативы оказывают положительное воздействие на внеклассную работу.

Задачи, предлагаемые учащимся на факультативных занятиях, должны иметь познавательный интерес, привлекать и заинтересовывать учащихся, развивать в них изобретательность и мышление [24].

§5. Методика проведения факультативных занятий по теме «Решение задач на местности»

Главной целью факультативных занятий является углубление и расширение знаний, развитие интереса учащихся к предмету, развитие математических способностей, привитие школьникам интереса и вкуса к самостоятельным занятиям, воспитание и развитие инициативы и творчества, развитие определенных сторон мышления и черт характера учащихся. Также занятия содействуют профессиональной ориентации учащихся и помогают в подготовке к вступительным экзаменам.

Основные задачи факультативных занятий: учитывая интересы и склонности учащихся, расширить и углубить знания по предмету, обеспечить усвоение ими программного материала, ознакомить школьников с некоторыми общими идеями современной математики, раскрыть приложения математики на практике. Повторить учебный материал и систематизировать знания учащихся по планиметрии (подготовка к вступительным экзаменам). Показать приложения математики к решению практических задач. Профессиональная ориентация (математика, архитектура, землеустройство, кадастровое дело; формирование умений применять имеющиеся теоретические знания к решению задач.

Объектом исследования является организационно - педагогическая деятельность общеобразовательной школы в области факультативных занятий.

Предмет исследования - организация математических факультативов в средней общеобразовательной школе в свете реализации требований современной концепции образования.

Выдвинем гипотезу исследования: если систематически и целенаправленно включать в школьный курс геометрии разнообразный материал, то это повысит интерес учащихся к геометрии и разовьет их творческие способности.

Факультативный курс математики представляет собой систему нескольких тем, каждая из которых развивает некоторые из основных для школьной математики идей, понятий, методов [3].

Курс разработан для учеников старших классов и рассчитан на полугодие. Факультатив проводился в лицеи №10 г. Ставрополя.

Тематическое планирование.

1. Простейшие задачи, решаемые на местности 1ч

2. Задачи с измерениями при различных ограничениях 2ч  

3. На равном расстоянии 1ч

4. Окружность 2ч

5. Тригонометрические функции 1ч

6. Неравенство треугольника и уравнение прямой 1ч  

7. Подобие фигур 1ч

8. Правильные многоугольники 1ч

9. Центральный угол и дуга окружности 1ч

10. Площади фигур 1ч

11. Углы между прямыми и поскостями 1ч

12. Многогранники 1ч

13. Тела вращения 1ч

14. Метод геометрических мест 1ч

Занятие 1. Тема: Простейшие задачи, решаемые на местности

Цель урока: научиться применять теоретические знания для решения задач с практическим содержанием, показать красоту и значимость геометрии.

Оборудование: доска, мел, линейка, транспортир. Желательно проводить в школьном дворе при наличии оборудования.

Структура урока:

1. Организационный момент – 1-3 минуты.

2. Актуализация знаний – 7- минут.

3. Объяснение нового материала – 20 минут.

4. Обсуждение с учащимися прошедшего урока – 5 минут.

5. Выдача домашнего задания – 5 минут.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент. Добиться внимания учеников, проверить готовность к уроку.

2. Актуализация знаний: повторение теории

а) Признаки подобия треугольников.

б) Пропорциональные отрезки в круге.

3. Объяснение нового материала.

Слово учителя о цели этого урока

Геометрия – это не просто наука о свойствах треугольников, параллелограммов, окружностей. Геометрия – это целый мир, который окружает нас с самого рождения. Ведь все, что мы видим вокруг, так или иначе относится к геометрии, ничто не ускользает от ее внимательного взгляда. Геометрия помогает человеку идти по миру с широко открытыми глазами, учит внимательно смотреть вокруг и видеть красоту обычных вещей, смотреть и думать, думать и делать выводы.

 Выступление учителя с кратким сообщением о Конан Дойле 

Всемирно известный писатель Артур Конан Дойль был врачом. Но он очень хорошо, видимо, знал геометрию. В рассказе “Обряд дома Месгрейвов” он описал, как Шерлоку Холмсу нужно было определить, где будут конец тени от вяза, который срубили. Он знал высоту этого дерева ранее. Шерлок Холмс так объяснил свои действия: “… я связал вместе два удилища, что дало мне шесть футов, и мы с моим клиентом отправились к тому месту, где когда-то рос вяз. Я воткнул свой шест в землю, отметил направление тени и измерил ее. В ней было девять футов. Дальнейшие мои вычисления были уж совсем несложны. Если палка высотой в шесть футов отбрасывает тень в девять футов, то дерево высотой в шестьдесят четыре фута отбросит тень в девяносто шесть футов, и направление той и другой, разумеется, будет совпадать”.

Задача 1. Измерение высоты дерева

Для того, чтобы измерить высоту дерева BD, приготовили прямоугольный треугольник АВ₁C₁ с углом А = 45^о и, держа его вертикально, отошли на такое расстояние, при котором, глядя вдоль гипотенузы АВ₁, увидели верхушку дерева В. Какова высота дерева, если расстояние АС = 5,6м, а высота человека 1,7м?

Дано: АВ₁С_1, С = 90^о, А = 45^о. АС = 5,6м h человека = 1,7м.

Найти: BD

 

Рис. 9

Решение:

1) Так как А общий для обоих треугольников, а АС₁В₁ и АСВ (по условию) прямые (то есть равны по 90^о), то АС₁В₁ и АСВ – подобные (по признаку подобия о 2-х углах).

2) Тогда АВ₁C₁ = АВС = 45^о, => ВС = АС = 5,6м, но к получившейся длине мы должны еще прибавить рост человека, то есть длина дерева BD=7,3м.

Ответ: 7,3м.

Задача 2. Неприятельская вышка

Открытый участок дороги находится на полосе АВ шириной в 50м; неприятельский наблюдательный пункт находится на верху колокольни высотой MN = 22м. Какой высоты следует сделать вертикальную маску КВ на расстоянии 500м от колокольни, чтобы закрыть дорогу от наблюдателя противника?

Рис. 10

Дано: AMN, АВ = 50м, MN = 22м, BN = 500м.

Найти: КВ.

Решение: АКВ ~ АМN (по 2-м углам: А – общий, АВК и AMN – прямые, а если треугольники подобны, то все его элементы тоже подобны. То есть, , а . Следовательно, м.

Ответ: 2 м.

Задача 3. Земля как на ладони, когда ты в небе на воздушном шаре

Как далеко видно с воздушного шара, поднявшегося на высоту 4 км над Землей (радиус Земли примерно равен 6370 км)?

Решение:

Рис. 11

По теореме о касательной к окружности, касательная перпендикулярна радиусу, проведенному в точку касания, то есть OTM = 90^о. MO = 6370 +4= = 6374 км, тогда по теореме Пифагора:

MT ² + OT ² = MO ²

MT ² = MO ² – OT ²

MT = 112,9 км

Ответ: 112,9 км

Задача 4. Определение расстояния до кораблей в море

Решения отдельных старинных задач практического характера могут найти применение и в настоящее время, а поэтому заслуживают внимания. История геометрии хранит немало приемов решения задач на нахождение расстояний. Определение расстояний до кораблей, находящихся в море, – одна из таких задач, решаемая двумя способами.

Найти расстояние от точки А, находящейся на берегу до корабля

Дано: А = 1; В = 2; АВ = а.

Найти: АК.

Решение:

1-й способ. Пусть корабль находится в точке К, а наблюдатель в точке А. Требуется определить расстояния КА. Построив в точке А прямой угол, необходимо отложить на берегу два равных отрезка АВ = ВС. В точке С вновь построить прямой угол, причем наблюдатель должен идти по перпендикуляру до тех пор, пока не дойдет до точки D, из которой корабль К и точка В были бы видны лежащими на одной прямой. Прямоугольный треугольники ВСD и ВАК равны, следовательно, CD = AК, а отрезок CD можно непосредственно измерить.

Рис. 12

Второй способ, получивший название метода триангуляции, нашел применение в астрономии. С его помощью измерялись расстояния до небесных тел.

Рис. 13

Этот метод состоит из 3-х этапов:

1.     Измерение углов 1 и 2 и расстояния АВ.

2.     Построение А'В'К' с углами 1 и 2 при вершинах А' и В' соответственно.

3.     Учитывая подобие треугольников АВК, А'В'К' и равенство , по известным длинам отрезков АВ, А'К' и А'В' нетрудно найти длину отрезка АК.