扇形

📐 几何初步·
⭐⭐⭐

🎯 学习目标

  • 理解扇形的定义及其与圆的关系
  • 掌握扇形的弧长和面积计算公式
  • 能运用扇形知识解决实际问题

📚 核心概念

扇形是圆的一部分,由两条半径和它们所夹的一段弧围成的图形。想象把一个披萨切下一小块,那一块就是扇形。扇形的大小由圆心角决定——圆心角越大,扇形就越大。

扇形有两个重要属性:弧长(即扇形边缘弯曲部分的长度)和面积(即扇形内部区域的大小)。它们都与整个圆的周长和面积成比例,比例系数就是圆心角占360°的比例。

设圆的半径为 rr,圆心角为 nn^\circ(单位为度),则:

  • 扇形的弧长 l=n360×2πr=nπr180l = \frac{n}{360} \times 2\pi r = \frac{n\pi r}{180}
  • 扇形的面积 S=n360×πr2S = \frac{n}{360} \times \pi r^2

如果圆心角用弧度制表示为 θ\theta(单位为弧度),那么公式更简洁:弧长 l=θrl = \theta r,面积 S=12θr2S = \frac{1}{2} \theta r^2。初中阶段通常使用角度制,因此重点掌握角度制下的公式即可。

📝 关键公式

  • 弧长公式l=n360×2πr=nπr180l = \frac{n}{360} \times 2\pi r = \frac{n\pi r}{180}
    示例:半径为6 cm,圆心角为90°的扇形,弧长 l=90×π×6180=3π9.42l = \frac{90 \times \pi \times 6}{180} = 3\pi \approx 9.42 cm。

  • 面积公式S=n360×πr2S = \frac{n}{360} \times \pi r^2
    示例:半径为5 cm,圆心角为120°的扇形,面积 S=120360×π×52=13×25π26.18S = \frac{120}{360} \times \pi \times 5^2 = \frac{1}{3} \times 25\pi \approx 26.18 cm²。

💡 经典例题

例题1(基础):一个扇形的半径是10 cm,圆心角是72°,求它的弧长和面积。

  1. 弧长:l=72360×2π×10=15×20π=4π12.57l = \frac{72}{360} \times 2\pi \times 10 = \frac{1}{5} \times 20\pi = 4\pi \approx 12.57 cm。
  2. 面积:S=72360×π×102=15×100π=20π62.83S = \frac{72}{360} \times \pi \times 10^2 = \frac{1}{5} \times 100\pi = 20\pi \approx 62.83 cm²。

:弧长约12.57 cm,面积约62.83 cm²。


例题2(应用):一把扇子展开后形成一个圆心角为150°的扇形,扇骨长30 cm。如果扇面材料每平方厘米成本0.05元,制作这个扇面需要多少元?(结果保留两位小数)

  1. 扇面即扇形,半径 r=30r = 30 cm,圆心角 n=150n = 150^\circ
  2. 面积:S=150360×π×302=512×900π=375π1178.10S = \frac{150}{360} \times \pi \times 30^2 = \frac{5}{12} \times 900\pi = 375\pi \approx 1178.10 cm²。
  3. 成本:1178.10×0.05=58.90558.911178.10 \times 0.05 = 58.905 \approx 58.91 元。

:制作扇面约需58.91元。

⚠️ 易错点

  • 混淆弧度与角度:初中阶段使用角度制,不要误用弧度公式(如 l=θrl = \theta r)。记住题目中角度带“°”符号。
  • 忘记除以360:计算弧长或面积时,必须乘以 n360\frac{n}{360},否则会当成整个圆来算。
  • 单位不统一:半径单位如果是米,结果也应是米或平方米,注意题目要求。
  • 把直径当半径用:题目给的是直径时,要先除以2得到半径再代入公式。
  • 近似值过早取舍:中间步骤尽量保留 π\pi,最后再用3.14计算,避免累积误差。

💡 例题

1
  1. 时钟的表盘上任意做n个120°的扇形,每1个都恰好覆盖4个数字,每两个覆盖的数字不全相同,如果从任做的n个扇形中总能恰好取出3个盖住整个钟面的12个数字,求n的最小值。

将钟面12个数字编号为1至12(顺时针)。每个120°扇形覆盖4个连续数字(模12),共有12种可能的扇形:S_k = {k, k+1, k+2, k+3}(下标模12,k=1,2,…,12)。注意到存在4组互不相交的三元覆盖: ① S₁={1,2,3,4}, S₅={5,6,7,8}, S₉={9,10,11,12} ② S₂={2,3,4,5}, S₆={6,7,8,9}, S₁₀={10,11,12,1} ③ S₃={3,4,5,6}, S₇={7,8,9,10}, S₁₁={11,12,1,2} ④ S₄={4,5,6,7}, S₈={8,9,10,11}, S₁₂={12,1,2,3} 每组3个扇形恰好无重叠覆盖全部12个数字。

若n=8,可取前8个连续扇形:S₁至S₈,它们覆盖的数字为1–10,缺失11和12,任取3个最多覆盖12个中的10个(因每个扇形4个,3个最多12个,但此处有重叠),实际无法覆盖全12个(如S₁,S₂,S₃仅覆盖1–6),故n=8不满足条件。

当n=9时,将12个可能扇形划分为上述4组,每组3个。由鸽巢原理,9个扇形放入4组,至少有一组包含⌈9/4⌉=3个扇形。而每组中任意3个扇形恰为该组全部3个,即覆盖全12数字。因此n=9满足条件。

故n的最小值为9。

2

一个扇形的半径为5厘米,弧长为8厘米。求这个扇形的面积。

① 扇形面积公式:S = (1/2) × 弧长 × 半径 ② 代入已知条件:S = (1/2) × 8 × 5 ③ 计算:S = 20(平方厘米)

✏️ 练习

1

如图,ABCDABCD 是一个长方形,AZ=WC=6AZ=WC=6 单位,AB=12AB=12 单位,梯形 ZWCDZWCD 的面积是 120 平方单位。求三角形 BQWBQW 的面积。

2

一个圆柱形水桶,底面半径为 44 英尺,高为 1010 英尺,装满了水。将一个棱长为 88 英尺的实心正方体放入水桶中,使正方体的空间对角线竖直。此时排开的水的体积为 vv 立方英尺。求 v2v^2