摘要:在进行网格作图之前,我们有必要先回顾尺规作图的基本方法,包括作图原理,毕竟网格作图仍然是基于尺规作图原理,网格是由大小完全相同的正方形排列而成,它的基本构成是网格线和格点,其中网格线之间的关系为平行或垂直,相邻网格线间的距离相等,网格线的交点为格点,通常情况下
手把手教你网格作图——2023年天津市中考数学第18题
在进行网格作图之前,我们有必要先回顾尺规作图的基本方法,包括作图原理,毕竟网格作图仍然是基于尺规作图原理,网格是由大小完全相同的正方形排列而成,它的基本构成是网格线和格点,其中网格线之间的关系为平行或垂直,相邻网格线间的距离相等,网格线的交点为格点,通常情况下,网格会有大小限制,并非无限延伸.
近年来网格作图题在全国各地中考都有呈现,尤其是天津市网格作图题,被喻为难度天花板,武汉市(非省考)中考数学第21题也是网格作图,且该题区分度一直优秀.
题目
如图,在每个小正方形的边长为1的网格中,等边△ABC内接于圆,且顶点A,B均在格点上.
(1)线段AB的长为_________;
(2)若点D在圆上,AB与CD相交于点P,请用无刻度的直尺,在如图所示的网格中,画出点Q,使△CPQ为等边三角形,并简要说明点Q的位置是如何找到的(不要求证明).
解析:
(1)AB=√29;
(2)先简要分析图中已有几何元素,等边△ABC,其中A、B在格点处,它有一个外接圆,点D在这个圆上,点P在AB边上,然后我们从尺规作图角度来看点Q的位置与各元素间的关联,如下图:
若以尺规作图,以C为顶点,CP为边作等边△CPQ,连接BQ、BD,立刻出现一对全等三角形,△APC≌△BQC,若我们能够构造出这样一对全等三角形,那么很容易得到等边△CPQ,并且这一对全等已经具备了一个必要条件即AC=BC;
逆向思考:我们可求出∠CBQ=60°,于是∠ABQ=120°,可证BQ∥AC,于是若能过点B作AC的平行线,则可得到全等的第二个必要条件∠CBQ=∠A;
再连接BD,过点A作AE∥BD,交圆于点E,由同弧所对圆周角相等,得∠ACP=∠BCQ,这是全等的第三个必要条件;
根据以上推导,我们可得到一个找到点Q的方法,构造△ACP≌△BCQ,分别过点B作AC的平行线BQ,再过点A作BD的平行线AE,则CE延长后与BQ相交于点Q.
回到网格图里,我们分别研究这两条平行线的作法:
①过点B作AC的平行线
突破口在线段AB与网格线的交点G,它是线段AB与网格线的交点,特殊之处在于,它是AB中点,也是网格中小正方形边长的中点(这很重要!),我们可以通过构造全等三角形来证明这个结论;
此时的点G,已经成为部分网格的对称中心,如下图:
我们观察这两个关于点G中心对称的正方形网格,其中AC与网格线的交点E恰好在左侧正方形中,如果我们连接EG并延长,一定可以与对应小正方形的边交于点F,如下图:
只要再连接BF,立刻便得到了一对全等三角形,△AEG≌△BFG,就可以证明BF∥AC,只要再延长FB,就完成了这一步的任务;
②过点A作BD的平行线
过点A作BD的平行线,方法与前面类似,如下图:
仍然利用点G在网格中的特殊地位,取BD与网格线交点K,连接KG并延长,找到它的中心对称点K',再连接AK'并延长,交圆于点M,根据图中构造的全等三角形可证AM∥BD;
连接CM并延长,交射线FB于点Q,连接PQ;
作图依据:由于AM∥BD,且它们在圆内都是弦,所以它们所夹的弧相等,这两段弧所对的圆周角也相等,于是∠ACP=∠BCQ,再由前一步骤中BF∥AC,得到∠ABQ=120°,减掉∠ABC之后,得∠CBQ=60°,所以∠CAP=∠CBQ,再加上AC=BC,可证△ACP≌△BCQ,如下图:
所以CP=CQ,现在只剩下最后一个需要验证的问题,即∠PCQ是否为60°?
由AM∥BD,可得∠CNM=∠D=60°,由同弧所对圆周角相等,可得∠CMN=∠ABC=60°,所以∠CPQ=60°.
保留全部作图过程后,如下图:
解题思考:
本题最难想到的是点G的用途,它不仅是线段AB的中点,更可以看作是一部分网格的对称中心,至于是哪部分网格,根据需要取舍,可以是2个、4个甚至更多网格的对称中心;
仍然以作AC的平行线为例,如下图:
同样在作BD的平行线的时候,也存在多种作法,如下图:
线段BD与网格线的交点,除一个之外,其余均可用于构造全等三角形,从而作出BD的平行线,有兴趣的读者可以思考,哪个点不行,为什么?
网格作图极考验学生的几何综合能力,利用网格构造所需的几何图形,必须对各类基本图形如全等三角形、平行四边形、圆等概念理解透彻,才有可能在作图过程中想到去构造它们.
我们需要认识到网格作图与尺规作图间紧密的联系,让学生意识到尺规作图的重要性,并且理解作图依据,这是核心任务;并在平时就设计相应的数学活动,让学生逐渐学会用网格代替部分尺规操作,在网格环境下重新理解作图依据.
来源:爱数学做数学一点号