模型

铅笔头模型:多拐点折线的角和

折线两端落在同一条平行线上、中间有 n 个拐点时,整个图形的内角和等于 180° × n。n = 1 就是三角形,n = 2 就是四边形。

问题引入

前面学过「拐点偏移守恒」:折线从一条平行线出发、到另一条平行线结束,左右偏转的角互相抵消。

但如果折线的两端落在同一条平行线上,中间连续拐好几个弯呢?这时结论完全变了:所有角加起来是一个定值,而且只跟拐点的个数有关。

动态观察

A、C 在同一条平行线 l₁ 上,中间是若干拐点。用下方的 n 滑块改变拐点个数,再拖动各个拐点。

铅笔头模型:多拐点折线的角和
  1. 拖动 n 滑块,让拐点个数在 1 到 3 之间变化,观察 所有角之和 一行读数。
  2. 拖动各个拐点(以及 A、C)改变图形形状,看总和是否保持不变。
  3. 特别留意 n = 1 时的图形:它其实就是什么形状?

规律发现

设折线两端 A、C 在同一条平行线上,中间有 n 个拐点,则这些角(两端各一个 + 每个拐点一个)的总和是:

所有角之和 = 180° × n

n = 1 时是 180°(三角形),n = 2 时是 360°(四边形),n = 3 时是 540°(五边形)。

折线两端在同一条平行线上,中间有 2 个拐点,所有角之和是多少度?

  • A180°
  • B360°
  • C540°
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代入 180° × n = 180° × 2 = 360°。此时图形是一个四边形(两端点 + 两个拐点共 4 个顶点),内角和正是 360°。

原理解释

有两种看法,都要掌握:

看法一(通法):过每个拐点作与已知平行线平行的辅助线。 这样每个拐角都被拆成两个部分,每一部分都能由内错角转移到两端与 l₁ 所成的角上。把所有的角按"上开"与"下开"分类相加,就能得到上面的公式。

看法二(本质):它其实是一个多边形的内角和。 把折线 A—P₁—…—Pₙ—C 与平行线上的线段 CA 合起来看,得到一个 (n + 2) 边形。由多边形内角和公式:

(n + 2 − 2) × 180° = 180° × n

两种看法得到的结论一致。平行线在这里的作用是给两端提供参照方向,让"两端与 l₁ 所成的角"能直接用内错角处理;而真正决定总和的是顶点个数。

折线两端在同一条平行线上,中间有 3 个拐点,所有角之和是多少度?(只填数字)

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180° × 3 = 540°。也可以验证:此时图形是一个五边形,内角和 = (5 − 2) × 180° = 540°。

例题应用

这类题在试卷上通常表现为"求某个角的度数",做法是把已知角代进总和公式。

  1. 数清拐点个数 n,写出总和 180° × n。
  2. 把已知的角(两端的角、以及其余拐角)都列出来。
  3. 用"总和 − 已知角之和"算出要求的那个角。
  4. 若图形中还有平行线的内错角关系,可先用它把角等量代换,减少未知量。

在铅笔头模型(两端同线、2 个拐点)中,已知其中三个角,怎么求第四个角?

  • A用 180° × 2 减去另外三个角
  • B用 360° 减去已知角
  • C无法确定
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总和是 180° × 2 = 360°(因为图形是四边形),所以用 360° 减去另外三个角的和即可。注意 360° 在这里来自"拐点数 × 180°",而不是随便取的。

互动练习

铅笔头模型(所有角之和 = 180° × 拐点数)要求折线的两端处于什么位置?

  • A两端落在同一条平行线上
  • B两端分别落在两条平行线上
  • C两端重合
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两端落在同一条平行线上。若两端分别落在两条平行线上,则是「拐点偏移守恒模型」的情形——那时结论变为"同向偏转角之和相等",不再是定值 180° × n。

在本单元的画板上,把 n 设为 2,把两个拐点都拖到几乎贴着 l₁ 的位置,观察四个角各是多少、总和是否仍然是 360°。你能否把其中某个角拖到接近 180°?此时另外三个角会怎样?

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参考结论:总和始终是 360°。把某个拐点拖到接近 l₁ 时,该处的角趋近 180°(折线几乎被"拉直"),此时另外三个角之和趋近 180°——图形在这个极限下退化成三角形,正好与 n = 1 的情形接上。这说明公式 180° × n 在退化位置依然自洽。

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