探究线段旋转扫过的图形面积

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  线段AB和点O在同一平面内,将线段AB绕点O旋转,在旋转过程中,线段AB所扫过的图形面积该如何计算,笔者认为应从点与线段的位置及旋转的角度等几个方面研究.
  一、旋转中心O在线段AB上
  图1如图1,设AO=a,BO=b(a≥b),旋转角度为α.
  图2(1)当0°≤α≤180°时,线段AB所扫过的图形如图2中的阴影部分所示,其面积为扇形OAA′与扇形OBB′的面积和,故
  S=α360πa2+α360πb2=α360π(a2+b2)
  图3(2)当180°<α≤360°时,线段AB所扫过的图形如图3中的阴影部分所示,其面积为以AO为半径的圆的面积减去图中空白部分的面积,故
  S=πa2-(360-α360πa2-360-α360πb2)=α360πa2+360-α360πb2=α360π(a2-b2)+πb2.
  二、旋转中心O在线段AB的延长线上
  图4如图4,设AO=a,BO=b,旋转角度为α.
  图5线段AB所扫过的图形如图5中的阴影部分所示,其面积为扇形OAA′减去扇形OBB′的面积,故S=α360πa2-α360πb2=α360π(a2-b2).
  三、旋转中心O不在直线AB上
  图6(1)当线段AB的两个端点分别是线段AB上到旋转中心O的距离最长的点和距离最短的点时如图6,设AO=a,BO=b(a>b),旋转角度为α.图7线段AB所扫过的图形如图7中的阴影部分所示.因为△OAB≌△OA′B′,所以阴影部分的面积可转化为扇形OAA′的面积减去扇形OBB′的面积,故S=α360πa2-α360πb2=α360π(a2-b2)
  图8(2)当线段AB的两个端点不是线段AB上到旋转中心O的距离最短的点时,如图8,作OD⊥AB,垂足为D,设OA=a,OB=b(a≥b),OD=h,∠BOD=β,旋转的角度为α.
  ①若0°<α<2β时,线段AB所扫过的图形如图9中的阴影部分所示. 计算线段AB所扫过的图形面积比较复杂,限于初中学生的知识水平,不需要掌握.
  图9图10②若2β≤α≤360°-2β时,线段AB所扫过的图形如图10中的阴影部分所示.作OI⊥A′B′,垂足为I,则△OAD≌△OA′I,所以阴影部分的面积可以用以OA和OD为半径的两个扇形的面积差加上一个弓形的面积表示,即S=α360π(a2-h2)+2β360πb2-tanβ•h2.
  ③若360°-2β<α<360°时,线段AB所扫过的图形如图11中的阴影部分所示.此时阴影部分的面积以初中学生的知识也不能计算.
  图11图12④若α=360°时,线段AB所扫过的图形如图12中的阴影部分所示,为一个圆环的面积,所以S=π(a2-h2).
   计算线段AB绕点O旋转所形成的图形面积,关键在于准确画出AB旋转所形成的图形,其形状是由线段AB的初始位置、终止位置及点A、B、D(点D是线段AB上到O点距离最近的点)的运动轨迹所围成的封闭图形.
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