古人畫圓,一般把一條繩子的兩端各綁一根木樁,一端木樁固定,拉直后的另一端木樁淺插土中旋轉(zhuǎn),就可以畫成一個圓 。這是現(xiàn)代用圓規(guī)畫圓的雛形 。
圓形,是一個奇妙無比的形狀 。古人最早從太陽、圓月得到啟發(fā)的 。許多陶器都做成圓的,他們將泥土放在一個轉(zhuǎn)盤上旋轉(zhuǎn)制成的 。古人利用圓形來省力,例如,移動圓木頭時滾著走,搬運重物時,在重物下面墊上幾段圓木 。大約在4000多年前,古人將圓木盤固定于木架下,讓其滾動,這是車子的雛形 。古埃及人把圓看成是上帝賜給人類的圖形 。
在數(shù)學上,圓是一種幾何圖形,是指平面中到一個定點距離為定值的所有點的集合 。這個點稱為圓心,這個距離稱為圓的半徑 。換句話說,是一條線段繞著它的一個端點在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周的軌跡就是圓 。大家都知道,圓的直徑或?qū)ΨQ軸有無數(shù)條,直徑是半徑的2倍 。
我們把圓的周長與它的直徑比值定義為圓周率,用字母π,且π=3.1415926535897……,在實際計算時取它的近似值:3.14 。如果用C表示圓的周長:C=πd或C=2πr 。
如果估測圓的周長,可以把圓周率看成是3 。魏晉時期的劉徽在為《九章算術(shù)》作注時,發(fā)現(xiàn)"周三徑一"原來是圓內(nèi)接正六邊形周長和圓直徑之比 。他創(chuàng)立了現(xiàn)代數(shù)學中用極限解決實際問題的方法,這是數(shù)學史上一項重大的發(fā)現(xiàn) 。他認為圓內(nèi)接正多邊形邊數(shù)無限增加時,周長就越逼近圓周長 。他計算到圓內(nèi)接正3072邊形得到:π=?。常梗玻罚保玻担?。其值在3.1415926與3.1415927之間,是世界上最早的七位小數(shù)精確值 。經(jīng)過計算,劉徽求得圓內(nèi)接正多邊形的邊數(shù)為192邊型時,圓周率約為是3.14 。
根據(jù)劉徽的方法,現(xiàn)代數(shù)學用極限方法可以推導出圓的周長的計算公式 。在平面直角坐標系中,圓的方程可以表達為:x?。健。颉。茫铮螃群停。健。颍樱椋瞀?。θ∈[0,2π] 。即圓周長就是,C = ∫√(?。ǎВé龋蓿病。。ǎВé龋蓿病。。洇龋葟模胺e到2π 。得到:C =?。拨校?。圓的周長正比于直徑(半徑) 。
現(xiàn)代物理學的發(fā)展,人類能夠更確切地測量曲線的長度 。更不用說測量圓的周長了 。根據(jù)圓的周長計算公式,C?。溅校浠颍茫剑拨校?。求圓的周長,關(guān)鍵是求出(測量)圓的直徑D或者圓的半徑r,為了減少測量次數(shù)和減小實驗誤差,測量圓的直徑為首選 。
例如,測量圓柱形細鐵絲周長 ??梢杂美鄯e法測出鐵絲的直徑D 。將細鐵絲緊密繞在鉛筆上,數(shù)出繞的總匝數(shù)n,測出n匝細鐵絲直徑累積的線圈長度s,則細鐵絲的直徑D=s/n 。然后,就可以測出細鐵絲的周長:C=πD=πs/n 。
在物理測量中,還可以直尺和直角三角板,利用平行線之間的距離處處相等,把圓的直徑平移到直尺上,在物理上,叫等效替代法 。如下圖 。
當然,可以用游標卡尺或者螺旋測微器直接測出較小的圓形物體直徑D 。
再舉一例 。要測出一枚圓形硬幣的周長,我們可以使用一根細線繞硬幣一周,測量拉直后的細線兩個連接點之間的距離就是,硬幣的周長 。提高刻度尺的精確度,就可以提高周長測量的準確性 。
當然,我們也可以把硬幣當作滾輪,在硬幣上做一個記號,把硬幣沿著直尺滾動一周,直尺上的起點和終點之間的距離就是硬幣的周長 。為了減小誤差,可以多次測量求平均值 。用這種方法可以測量自行車車輪的周長 。
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