Паркеты – замощение плоскости многоугольника

Помыслить немыслимое и утвердиться в том, что оно все-таки мыслимо – это явление геометрии.

А.Д.Александров

Класс: 8-9

Цели:

• Формирование и развитие представлений учащихся о новых математических объектах и математических понятиях.
• Развитие творческого интереса к математике.
• Расширение математического кругозора учащихся.
• Воспитание доброжелательности и взаимопомощи при совместной работе.

Задачи внеклассного занятия:

• Практическое применение математических знаний при изучении новых математических объектов.
• Развитие логического мышления и навыков исследовательской деятельности.
• Знакомство с применением новых полученных знаний в современной науке.
• Постановка вопросов для дальнейшего изучения темы.

Подготовка: работа в группах, каждая группа готовит модели правильных многоугольников, а также копии произвольных треугольников и четырехугольников.

Формы организации работы учащихся: фронтальная, групповая.

Формы организации работы учителя: руководящая, организационная, координирующая.

Технические условия: мультимедийный кабинет.

Используемое оборудование: компьютер, проектор, экран, CD-носитель.

Презентация «Паркеты – замощение плоскости многоугольниками».

Ход занятия.

Паркеты с древних времён привлекают к себе внимание людей. Ими застилали полы, покрывали стены комнат, украшали фасады зданий, использовали в декоративно-прикладном искусстве.
Хотя изучение паркетов не входит в школьную программу по математике, интерес к этой теме возник после решения простой школьной задачи: «Докажите, что из одинаковых плиток, имеющих форму равнобедренной трапеции, можно сделать паркет, полностью покрывающий любую часть плоскости». А какими еще многоугольниками можно замостить плоскость?

Правильные паркеты

Паркетом называется такое замощение плоскости многоугольниками, при котором вся плоскость оказывается покрытой этими многоугольниками и любые два многоугольника либо имеют общую сторону, либо имеют общую вершину, либо не имеют общих точек.

Паркет называется правильным, если он составлен из равных правильных многоугольников.
Примеры правильных паркетов были известны ещё пифагорейцам. Они дают заполнение плоскости: квадратами, равносторонними треугольниками, правильными шестиугольниками.

Задание для учащихся: из имеющихся моделей правильных многоугольников составьте правильные паркеты.

Убедимся в том, что никакой другой правильный многоугольник паркета не образует. И здесь нам понадобится формула суммы углов многоугольника. Если паркет составлен из n-угольников, то в каждой вершине паркета будет сходитьсяk = 360°/ a_nмногоугольников, где a_n – угол правильного n-угольника. Легко найти, что a₃ = 60°, a₄ = 90°, a₅ = 108°,a₆ = 120° и 120° < a_n < 180° при п > 7. Поэтому 360° делится нацело на a_n только при п = 3; 4; 6.
Интересно, что среди правильного треугольника, квадрата и правильного шестиугольника, данного периметра, наибольшую площадь имеет шестиугольник. Это обстоятельство приводит в природе к тому, что форму правильных шестиугольников имеют пчелиные соты, поскольку пчёлы, строя соты, инстинктивно стараются сделать их возможно более вместительными, израсходовав при этом возможно меньше воска.

Полуправильные паркеты.

Расширим способы составления паркетов из правильных многоугольников, разрешив использовать в них правильные многоугольники с различным числом сторон, но так, чтобы вокруг каждой вершины правильные многоугольники располагались в одном и том же порядке. Такие паркеты называются полуправильными.

Задание для учащихся: из имеющихся моделей правильных многоугольников составьте полуправильные паркеты.

Для выяснения количества полуправильных паркетов нужно проанализировать возможные случаи расположения правильных многоугольников вокруг общей вершины. Для этого обозначим через a₁,a₂ … – углы правильных многоугольников, имеющих общую вершину. Расположим их в порядке возрастания a₁ < a₂ < … Учитывая, что сумма всех таких углов должна быть равна 360°, составим таблицу, содержащую возможные наборы углов и укажем соответствующие паркеты.
Таким образом, всего имеется 11 правильных и полуправильных паркетов.

Планигоны

Рассмотрим и другое обобщение — паркеты из копий произвольного многоугольника, правильные «по граням» (т. е. которые переводят любую за­данную плитку в любую другую). Многоугольники, которые могут быть плитками в этих паркетах, называются планигонами.
Ясно, что плоскость можно уложить копиями произвольного треугольника, но менее очевидно, что произвольный четырёхугольник — планигон. То же верно и для любого шестиугольника, противоположные стороны которого равны и параллельны.

Задание для учащихся: из имеющихся копий произвольных треугольников и четырехугольников составьте паркеты.

Все рассмотренные выше паркеты периодичны, т. е. в каждом из них можно выделить (и даже многими способами) составленную из нескольких плиток область, из которой параллельными сдвигами получается весь паркет.
Интерес учёных к таким конструкциям объясняется тем, что периодические замощения, особенно замощения пространства, моделируют кристаллические структуры.

Вопрос на перспективу: Существуют ли непериодические замощения?

Вместо заключения

Особый интерес представляет создание собственных паркетов – заполнение плоскости одинаковыми фигурами (элементами паркета) с помощью, например, осевой симметрии и параллельного переноса. Главное, что в основе построения лежит многоугольник, равновеликий элементу паркета.

Домашнее задание. Составить понравившийся паркет с помощью любых средств: от цветной бумаги до компьютерных технологий.

Список используемой литературы:

1. Атанасян Л.С. и др. Геометрия, 7-9.– М.: Просвещение, 2010.
2. Атанасян Л.С. и др. Геометрия: Доп. главы к шк. учеб. 8 кл.: Учеб. пособие для учащихся шк. и кл. с углубл. изуч. математики. – М.: Просвещение, 1996.
3. Атанасян Л.С. и др. Геометрия: Доп. главы к шк. учеб. 9 кл.: Учеб. пособие для учащихся шк. и кл. с углубл. изуч. математики. – М.: Просвещение, 1997.
4. Колмогоров А.Н. Паркеты из правильных многоугольников.//Квант, 1970, № 3.
5. Смирнов В.А. Компьютер помогает геометрии //Математика: Еженедельное учебно-методическое прил. к газ. «Первое сент.». – 2003, № 21.
6. Совертков П.И. и др. Геометрический паркет на экране компьютера.//Информатика и образование, 2000, № 9.
7. Энциклопедия для детей. Т.11.Математика/ Глав.ред. М.Д.Аксенова. – М.: Аванта+, 2008.