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例题4:弧长与扇形面积

圆及其相关性质 · 初三
讲清楚它是什么

定义 弧长是圆上两点间的曲线长度,扇形面积是圆心角所夹的圆面部分,二者均与半径及圆心角成正比。

从哪来 本节为初三第1讲起点,无前置知识点记录,直接基于圆的周长公式 $C=2\pi r$ 和圆面积公式 $S=\pi r^2$ 进行推导。

为什么 圆具有旋转对称性,周长和面积随圆心角线性分布。 1. 弧长:整个圆周对应 $360^\circ$,长度为 $2\pi r$。因此,$1^\circ$ 圆心角对应的弧长为 $\frac{2\pi r}{360}$,$n^\circ$ 圆心角对应的弧长 $l$ 即为 $\frac{n}{360} \times 2\pi r = \frac{n\pi r}{180}$。 2. 扇形面积:整个圆面积为 $\pi r^2$。同理,$n^\circ$ 圆心角对应的扇形面积 $S$ 即为 $\frac{n}{360} \times \pi r^2 = \frac{n\pi r^2}{360}$。 3. 内在联系:由 $l = \frac{n\pi r}{180}$ 可得 $nr = \frac{180l}{\pi}$,代入面积公式可推导出 $S = \frac{1}{2}lr$,说明扇形面积等于弧长与半径乘积的一半,这与三角形面积公式 $S=\frac{1}{2}ah$ 结构相似,体现了微元法的思想。

直观比例法** **适合学生
形象思维强、对抽象公式记忆困难的学生。 讲解策略: 1. 拿出一个披萨(或圆形纸片),告诉学生整个披萨是 $360^\circ$,面积是 $\pi r^2$。 2. 切下一块 $90^\circ$ 的披萨,问学生这块占整体的几分之几?($\frac{1}{4}$)。 3. 引导学生发现:面积是总面积的 $\frac{1}{4}$,边缘的弧长也是总周长的 $\frac{1}{4}$。 4. 总结:只要知道角度占 $360^\circ$ 的比例,面积和弧长就占对应总量的相同比例。公式就是“总量 $\times$ 比例”。
公式推导法** **适合学生
逻辑推理能力强、喜欢探究公式来源的学生。 讲解策略: 1. 从定义出发:弧长 $l$ 是圆周的一部分。 2. 建立方程:$\frac{l}{2\pi r} = \frac{n}{360}$,解出 $l = \frac{n\pi r}{180}$。 3. 引入变量替换:将 $n$ 用 $l$ 表示,代入面积公式 $S = \frac{n\pi r^2}{360}$。 4. 化简得到 $S = \frac{1}{2}lr$。 5. 强调:当已知弧长 $l$ 和半径 $r$ 时,用 $S=\frac{1}{2}lr$ 计算比用角度公式更简便,且无需计算 $\pi$ 的复杂乘除。
生活应用法** **适合学生
对纯数学兴趣不高、喜欢解决实际问题学生。 讲解策略: 1. 场景:公园有一个圆形花坛,半径 10 米。现在要修一条沿着花坛边缘的 $60^\circ$ 弧形小路,并铺设 $60^\circ$ 的扇形草坪。 2. 问题1:小路有多长?(计算弧长) 3. 问题2:草坪面积是多少?(计算扇形面积) 4. 问题3:如果只告诉你小路长 10 米,半径 10 米,你能算出草坪面积吗?(引出 $S=\frac{1}{2}lr$) 5. 通过具体数值计算,让学生感受公式在实际工程测量中的便捷性。
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练一道
基础题
已知扇形的半径 $r=6\text{cm}$,圆心角 $n=120^\circ$,求该扇形的弧长 $l$ 和面积 $S$。
变式
已知扇形的弧长 $l=10\text{cm}$,半径 $r=5\text{cm}$,求该扇形的圆心角 $n$ 和面积 $S$。
看解答过程
1. 求弧长: 根据公式 $l = \frac{n\pi r}{180}$ 代入数据:$l = \frac{120 \times \pi \times 6}{180} = \frac{2}{3} \times 6\pi = 4\pi (\text{cm})$ 2. 求面积: 根据公式 $S = \frac{n\pi r^2}{360}$ 代入数据:$S = \frac{120 \times \pi \times 6^2}{360} = \frac{1}{3} \times 36\pi = 12\pi (\text{cm}^2)$ 或者使用 $S = \frac{1}{2}lr = \frac{1}{2} \times 4\pi \times 6 = 12\pi (\text{cm}^2)$
试试手自己判
检测题
一个扇形的半径为 $10\text{cm}$,弧长为 $15.7\text{cm}$(取 $\pi \approx 3.14$)。 (1) 求该扇形的面积。 (2) 求该扇形的圆心角。
看答案和判分标准
答案:(1) $S = \frac{1}{2}lr = \frac{1}{2} \times 15.7 \times 10 = 78.5 (\text{cm}^2)$ (2) $l = \frac{n\pi r}{180} \Rightarrow 15.7 = \frac{n \times 3.14 \times 10}{180} \Rightarrow 15.7 = \frac{31.4n}{180} \Rightarrow n = \frac{15.7 \times 180}{31.4} = 90^\circ$
判对标准:
1. 第(1)问:使用 $S=\frac{1}{2}lr$ 公式且计算正确得 78.5,得满分。若先求角度再求面积,过程正确且结果正确,也得分,但效率较低。
2. 第(2)问:正确列出弧长公式,代入数据,解出 $n=90$,得满分。若单位未统一或公式记错,不得分。
3. 关键判定点:是否意识到已知 $l, r$ 求 $S$ 时,$S=\frac{1}{2}lr$ 是最优解法。
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