师:同学们,你们好!今天我们一起来学习几何图形的折叠与裁剪。手工折纸和非遗剪纸是日常生活中常见的折叠形式,其实在常见的几何图形里也存在一些折叠问题。接下来,让我们一起探索三角形和矩形中的折叠情况。
首先研究三角形中的折叠。当折痕经过三角形的顶点时,存在两种情况:一是折叠后三角形的顶点落在三角形的一边上;二是折叠后三角形的顶点落在任意位置。下面我们先来研究经过三角形顶点,折叠后顶点落在三角形一边上的情况。
如图,在$Rt\triangle ABC$中,$\angle C = 90^{\circ}$,点$D$在$BC$上,把$\triangle ACD$沿$AD$折叠,点$C$落在$AB$上,得到$\triangle ADE$。请同学们观察图形并思考,图中有哪些等量关系呢?
因为折叠后$\triangle ACD$与$\triangle AED$重合,所以$\triangle ACD \cong \triangle AED$。利用全等三角形对应边、对应角分别相等的性质,我们可以得到$AC = AE$,$DC = DE$,$\angle CAD = \angle EAD$,$\angle C = \angle AED = 90^{\circ}$,$\angle CDA = \angle EDA$。又因为折叠后点$C$与点$E$重合,所以$AD$是$CE$的垂直平分线。
在这里,由于$\angle C = \angle BED = 90^{\circ}$,$\angle B = \angle B$,所以$\triangle BCA \sim \triangle BED$。在$Rt\triangle BDE$中,根据勾股定理可得$DE^{2} + BE^{2} = BD^{2}$。
下面我们来看例一。如图,在$Rt\triangle ABC$中,$\angle C = 90^{\circ}$,$AC = 6$,$BC = 8$。把直角边$AC$沿直线$AD$折叠,使它落在斜边$AB$上,且点$C$与点$E$重合。求$CD$的长。请同学们先独立思考。
同学们,你们完成了吗?下面我们一起来看解析方法。
解法一:利用勾股定理建立方程。由折叠可知$\triangle ACD \cong \triangle AED$,所以$CD = DE$,$AE = AC = 6$,$\angle C = \angle AED = 90^{\circ}$。我们不妨设$CD = DE = x$,则$BD = 8 - x$。利用勾股定理求出$AB = \sqrt{6^{2} + 8^{2}} = 10$,所以$BE = AB - AE = 10 - 6 = 4$。
在$Rt\triangle DEB$中,由勾股定理可得$DE^{2} + BE^{2} = BD^{2}$,即$x^{2} + 4^{2} = (8 - x)^{2}$。解方程:
[
\begin{align*}
x^{2} + 16 &= 64 - 16x + x^{2}\
16x &= 64 - 16\
16x &= 48\
x &= 3
\end{align*}
]
所以$CD$的长等于$3$。我们利用勾股定理建立方程,从而求出了线段$CD$的长度。
同学们,你们还有其他的解法吗?我们来看解法二。
解法二:利用相似三角形建立方程。由折叠得到$\triangle ACD \cong \triangle AED$,$CD = DE$,$AE = AC = 6$,$\angle C = \angle AED = 90^{\circ}$。此时$\triangle BCA \sim \triangle BED$。设$CD = DE = x$,则$BD = 8 - x$。由勾股定理求出$AB = 10$。
利用相似三角形对应边成比例,可得比例式$\frac{DE}{AC} = \frac{BD}{AB}$,即$\frac{x}{6} = \frac{8 - x}{10}$。解方程:
[
\begin{align*}
10x &= 6(8 - x)\
10x &= 48 - 6x\
10x + 6x &= 48\
16x &= 48\
x &= 3
\end{align*}
]
从而求出$CD$的值等于$3$。在这里,我们借助相似三角形对应边成比例来建立方程,最终求出线段$CD$的长。
我们还有其他的解法吗?一起来看解法三。
解法三:利用三角函数建立方程。通过前面的分析,我们已求出$AB = 10$,$BE = 4$。设$CD = DE = x$。在$Rt\triangle BDE$中,$\tan B = \frac{DE}{BE}$;在$Rt\triangle BCA$中,$\tan B = \frac{AC}{BC}$。
所以可建立方程$\frac{x}{4} = \frac{6}{8}$,解方程:
[
\begin{align*}
8x &= 24\
x &= 3
\end{align*}
]
所以$CD$的值等于$3$。在这种解法当中,我们利用了同角三角函数值相等来建立方程,从而求出线段$CD$的长。
通过以上三种解法,我们发现可以利用勾股定理、相似三角形对应边成比例、同角三角函数值相等来建立方程,最终求出线段的长。
接下来我们再来研究当折痕经过三角形的一个顶点,折叠后三角形的顶点落在任意位置的情况。
如图,在$\triangle ABC$中,点$D$是$BC$上一个动点,$\triangle ABD$沿$AD$折叠,点$B$落在$B'$上。点$B'$运动的轨迹是什么呢?请同学们先独立思考。
当点$D$在$BC$边上移动时,大家观察$B'$的落点。实际上,$B'$的落点是以$A$为圆心,以$AB$为半径的一段圆弧。通过刚才的演示,我们明确了$B'$的运动轨迹是以点$A$为圆心,以$AB$为半径的一段圆弧。
下面一起来看例2,请大家自己读题,然后独立思考。
同学们,你们解决了吗?我们一起来看。通过刚才的演示,我们知道$B'$运动的路径是以$A$为圆心,$AB$为半径的一段圆弧。在这道问题当中,半径$AB = 4$。而圆弧所对的圆心角的度数是$\angle BAC$的$2$倍。此时点$D$运动到了某位置,我们利用三角形内角和可以先求出$\angle BAC$的度数等于$80^{\circ}$,所以运动后最大的圆心角$\angle BAB' = 160^{\circ}$。
根据弧长公式$l = \frac{n\pi r}{180}$(其中$n$为圆心角度数,$r$为半径),可得$B'$运动路径的长为$\frac{160\pi \times 4}{180} = \frac{32\pi}{9}$。
刚才我们研究了三角形当中的折叠,下面我们继续探索四边形中的折叠。我们分两种情况来研究:折痕经过图形的顶点和折痕不经过图形的顶点。
先来看第一种情况。如图,在矩形$ABCD$中,将$\triangle ABC$沿$AC$折叠,点$B$落在点$E$处。此时$AD$与$CE$交于点$F$。请同学们观察图形并寻找图中的等量关系。
