一看就懂!用“铺地板”思维破解小学数学镶嵌图形难题(附动画图解) | 阿星数学:典型例题精讲
适用年级
五年级
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最近更新
2025-12-20
用“地板砖”破解镶嵌图形:让转角遇到数学
镶嵌图形,也叫密铺,就是研究哪种形状能像铺地板一样,严丝合缝地铺满平面,不留空隙也不重叠。很多同学觉得它抽象、易错,其实是因为没“看见”图形拼接时一个隐藏的物理法则。今天,我们就用“铺地板”的视角,把它看得清清楚楚。
💡 阿星解密:为什么公式长这样?
想象你是一位地板砖师傅,手里拿着许多一模一样的正多边形地砖(比如正六边形)。你的任务是把它们铺满地面。
当你把一块块砖拼在一起时,你会发现,任何一块砖的任何一个角(顶点),都必须被其他砖的角“严丝合缝”地包围。这个交汇点,我们叫它“拼接点”。在这个点上,几块砖的角加在一起,必须完美地拼成一个完整的360度,不能多也不能少,否则就会留下缝隙或者拱起来。这就是“阿星钥匙”:拼接点角度和必须是360度。
👀 看图说话:当三种砖围住一个点
关键点拨:
这个动画展示了三种不同的正多边形(正方形、正六边形、正十二边形)围绕一个拼接点组合。慢动作看:每种图形都贡献了自己的一个内角。它们的角必须像齿轮一样精确咬合,加起来不多不少正好是360度(一圈)。这个“360度”就是那个隐形的数字枷锁,决定了哪些图形能一起铺地砖。对于单一的正多边形,问题就变成了:它的一个内角的整数倍,能不能等于360?
🔥 三级跳挑战:从陷阱到精通
【母题演示】判断:单一的正三角形能密铺地面吗?
阿星的显微镜(画图验证):
正三角形一个内角是60度。我们手动拼接试试:
围绕一个点:
第一个三角形贡献 60°
第二个三角形拼上,60°+60°=120°
第三个, 120°+60°=180°
第四个, 180°+60°=240°
第五个, 240°+60°=300°
第六个, 300°+60°=360° → 完美闭合!
标准算式:设需要k个正三角形。核心条件:k × 一个内角 = 360°。
正n边形内角公式:\((n-2) \times 180° \div n\)。
正三角形(n=3)内角:\((3-2) \times 180° \div 3 = 60°\)。
解方程:\(k \times 60° = 360°\) → \(k = 360° \div 60° = 6\)。
k=6是整数,所以正三角形能密铺,且每个拼接点由6个三角形围成。
【易错陷阱】判断:单一的正五边形能密铺地面吗?(内角108°)
阿星的避雷针:
大多数人会怎么错:直接计算:360° ÷ 108° ≈ 3.33,不是整数,所以不能。这个结论虽然对,但思考过程不严谨。更危险的是,如果题目问“需要几个”,有人可能会答“需要3.33个”,这显然不符合物理事实。
图解陷阱:在图上尝试拼3个正五边形(108°×3=324°),会留下一个36°的大缝隙,没有任何一种正五边形能填上这个奇怪的角。拼4个(108°×4=432°)则会严重重叠。
正确思路:代入核心隐喻。我们要求的k必须是正整数,因为它代表“几块砖”围成一个点。方程 \(k \times 108° = 360°\) 没有正整数解(\(k = 360 ÷ 108 = 10/3\)),所以单一的正五边形绝对不能密铺。陷阱在于忘记“k是砖的块数,必须是整数”这个物理限制。
【高手进阶】足球的表面(经典的黑白足球)是由正五边形和正六边形拼接成的。已知每个正五边形周围都连接着5个正六边形。请问,围绕一个正五边形的顶点,是如何被正六边形和正五边形的角填满360度的?(提示:每个顶点由2个正六边形和1个正五边形的角共享)
思维迁移:这不再是单一图形密铺,而是多种图形组合密铺。但核心法则没变:任意一个拼接点,周围所有图形的内角和=360°。
1. 查资料或计算:正五边形内角=108°,正六边形内角=120°。
2. 题目提示:在足球的某个顶点,汇聚了1个正五边形的角+2个正六边形的角。
3. 验证:108° + 120° + 120° = 348°? 不对! 等等,这小于360°。
4. 关键识别:足球是球面!它遵循的是“球面镶嵌”,允许角度和略小于360度(因为球面有正曲率)。但对于平面的密铺,组合也必须精确等于360度。例如,你可以验证:1个正方形(90°)+1个正五边形(108°)+1个正二十边形(162°):90+108+162=360°,这三种图形就可以组合平面密铺。这道题引导我们,法则的核心是“围绕一点的角度和”,应用场景可以从平面扩展到曲面。
📝 阿星的定海神针(口诀):
绕点转一圈,三百六十度。
内角来相会,图案才能铺。
🚀 举一反三:巩固练习
基础复现:单一的正方形能密铺吗?如果能,每个拼接点由几个正方形围成?(正方形内角90°)
陷阱识别:小星认为正九边形内角是140°,因为360°÷140°约等于2.57,所以不能密铺。他的说法严谨吗?哪里有问题?
生活应用:家里浴室想用一种正多边形地砖铺满(只用一种)。除了正三角形、正方形、正六边形,还有别的选择吗?请通过计算说明。
📚 答案与解析
【答案速查】
- 练习一:能。90° × 4 = 360°,所以每个拼接点由4个正方形围成。
- 练习二:不严谨。他算出了小数,但关键理由应是“方程 k × 140° = 360° 的解k不是正整数”。仅仅说“约等于”不够数学化。
- 练习三:没有。设正n边形能密铺,则其内角 \((n-2)*180°/n\) 必须能整除360°。即 \(360° ÷ [(n-2)*180°/n] = 2n/(n-2)\) 必须为正整数。验证n=3,4,6时,该值分别为6,4,3,是正整数。n=5,7,8…时,得到的都不是整数(如n=8时,内角135°,360÷135=8/3,不是整数)。所以只有正三、四、六边形这三种正多边形能单独密铺平面。
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