動態演示:圓柱的展開——動態數學軟件GeoGebra製作教程

利用GeoGebra來製作圓柱的展開,需要用到的指令並不多。

先來看下效果:

動態演示:圓柱的展開——動態數學軟件GeoGebra製作教程

動態演示:圓柱的展開——動態數學軟件GeoGebra製作教程

接下來,看看是如何製作的。

圓柱面展開的製作思路

運用的指令有滑動條(slider)、圓柱(cylinder)、曲面(surface),具體語法如下:

滑動條( , , ,)

圓柱( , , )

曲面( , , , , , , , , )

為了製作的方便,我們將圓柱的下底圓心放在(-1,0,0)處,半徑為1,高為4(高也可以取其他值)。

於是,可以這麼寫:

a = 圓柱((-1, 0, 0), (-1, 0, 4), 1)

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a = 圓柱((-1, 0, 0), (-1, 0, 4), 1)

剛剛我們提到需要用的指令之一:曲面指令,其實就是已知參數方程,再套進去。

我們最熟悉的大概就是圓的參數方程

動態演示:圓柱的展開——動態數學軟件GeoGebra製作教程

(a,b)為圓心座標,r為圓的半徑

如果要寫

圓柱面的參數方程,那就是在此基礎上增加一個,即:

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現在,我們需要的是下底圓心為(-1,0,0),半徑為1,高為4,也就是:

曲面(-1 + cos(θ), sin(θ), h, θ, 0, 2π, h, 0, 4)

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如果要讓這個曲面能動,那自然是需要變量,我們引進滑動條:

k=滑動條(0,1)

我們需要的展開,其實,就相當於:

  • 圓柱的底面半徑在不斷增大
  • 同時,顯示出來的圓柱面最終是變成矩形面
  • 在這過程中,也就是完整圓柱面(半徑初始時)變為部分圓柱面(半徑逐漸增大)

完整變化為部分,也就是限定範圍:

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曲面(-1 + cos(k θ), sin(k θ), h, θ, 0, 2π, h, 0, 4)

半徑要不斷增大,那就構造一個r,即r = 1 / k

並把係數r放進曲面指令中:

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曲面(r (-1 + cos(k θ)), r sin(k θ), h, θ, 0, 2π, h, 0, 4)

咦!k為0時,曲面就不見了——因為此時r即為無窮大。

也就是k為0時,我們需要構造一個矩形面。怎麼構造,看著上圖來構造,即:

動態演示:圓柱的展開——動態數學軟件GeoGebra製作教程

至此,我們就可以書寫圓柱面展開的指令:

如果(k == 0, 曲面(0, u, v, u, 0, 2π, v, 0, 4), 曲面(r (-1 + cos(k θ)), r sin(k θ), h, θ, 0, 2π, h, 0, 4))

所以,整個效果的呈現,只需四條指令:

動態演示:圓柱的展開——動態數學軟件GeoGebra製作教程

至於另一種效果,只需要改變一下參數的範圍,也就是將上面的曲面指令改寫為:

如果(k == 0, 曲面(0, u, v, u, -π, π, v, 0, 4), 曲面(r (-1 + cos(k θ)), r sin(k θ), h, θ, -π, π, h, 0, 4))

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將兩個圓打開的製作

其實就是將圓旋轉90度。

用到的指令有圓周(circle)、旋轉(rotate)、平移(translate)

圓周( , )

旋轉( , , )

平移( , )

將圓旋轉0度到90度,需滑動條α:

α=滑動條(0°,90°)

不贅述,下面直接給出相關指令:

g = 圓周((-1, 0, 0), 1, xOy平面)

g' = 旋轉(g, -α, y軸)

h = 圓周((-1, 0, 4), 1, xOy平面)

h' = 旋轉(h, α, 平移(y軸, 向量((0, 0, 0), (0, 0, 4))))

最後一條,旋轉軸,也可以直接寫出直線方程。

結語

到了這裡,就完成了整個作品。

源文件獲取方式:轉發本文,並寫上輕鬆get圓柱的展開


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