锐角三角函数

官方数学老师·13 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·2 天前
三角函数几何直觉直角三角形边角关系

锐角三角函数

看透 sin、cos、tan 的几何本质,掌握从一个角度反推边长的方法

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三角函数几何直觉直角三角形边角关系

锐角三角函数

看透 sin、cos、tan 的几何本质,掌握从一个角度反推边长的方法

1第 1 页 · 锐角三角函数

生活中的测量难题

你站在古塔脚下想知道它多高——但爬不上去,绳子也够不到塔顶。古希腊人两千多年前就为这个问题发愁,并由此发明了一整套数学工具。

直接测量行不通
塔太高、楼顶够不着——物理上无法把尺子送到顶端
影子提供绕路
阳光下任何物体都会投出影子,长度能用尺子在地面量出来
相似三角形的启示
同一时刻,物体高度与影子长度的比值是固定常数
角度比比例更通用
换地点、换时间,用倾斜角和水平距离就能算出高度
用已知竹竿对比塔的影子对应 →间接测量物体高度

竹竿影长 : 塔影长 = 竹竿高 : 塔高,同一时刻成立

h=dtanαh = d \cdot \tan\alpha
2第 2 页 · 生活中的测量难题

相似三角形的对应边

上页说金字塔太高爬不上去测不了。换个思路:在地上画一个跟金字塔'形状一样但小很多'的三角形,量小三角形的边,能不能推算出金字塔的边?这里的关键是——形状相同的三角形,边长有什么关系?

相似三角形
形状相同,三个角对应相等,大小可以不同
对应边成比例
所有对应边的比值都相等,等于缩放倍数 k
角决定形状
三个角定了,形状就定了;边长只是整体放大缩小
把照片等比例放大对应 →相似三角形的缩放

每条边都按同一个倍数 k 拉长,角度一个都不变

ABAB=BCBC=ACAC=k\frac{AB}{A'B'}=\frac{BC}{B'C'}=\frac{AC}{A'C'}=k
3第 3 页 · 相似三角形的对应边

边比为什么固定不变

上页说到相似三角形对应边成比例,那这个「比例」具体是多少?它由什么决定?

相似三角形边比固定
大小不同的相似三角形,对应边的比值始终相同
比值只取决于角度
角度一变比值就变,角度相同比值就相同
三角函数由此诞生
把「角度→比值」的对应关系封装成函数
放大或缩小照片对应 →相似三角形边比不变

人脸放大(三角形变大),眼距和脸宽的比例却不变(边比不变)——形状由比例锁死

sinA=ac=ac\sin A = \dfrac{a}{c} = \dfrac{a'}{c'}
4第 4 页 · 边比为什么固定不变

正弦:角的对边比斜边

上一页我们确认了:角度定了,边比就锁死了。今天给这些「比」起名字——最重要的,叫正弦 sin:对边除以斜边。

对边
直角三角形中,正对着所求角的那条边,相当于角「对面」的高
斜边
直角所对的边,三条边里永远最长
正弦 sin
对边除以斜边,刻画这个角「张开多高」的程度
角度越大 sin 越大
对边占比随角度单调递增,sin 从 0(角=0°)涨到 1(角=90°)
靠墙的梯子对应 →sin 的几何意义

梯长=斜边固定,倾角越大,墙上的高度(对边)越高,比值越大

sinA=对边斜边\sin A = \dfrac{\text{对边}}{\text{斜边}}
5第 5 页 · 正弦:角的对边比斜边

余弦:角的邻边比斜边

上页正弦用对边比斜边衡量了角的'竖直程度'。现在换一条直角边——和角相邻的那条——它和斜边的比值同样固定,叫余弦。

余弦的定义
cos θ = 邻边 / 斜边
邻边的位置
与角 θ 相邻、不对的那条直角边
随角度的变化
θ 越大,邻边越短,cos 越小;θ → 90° 时 cos → 0
几何含义
cos 衡量斜边投到水平方向的比例
梯子斜靠墙面对应 →cos = 邻边/斜边

梯子越长(斜边固定),底端越靠墙(角越大),邻边越短,cos 越小

cosθ=邻边斜边\cos\theta = \dfrac{\text{邻边}}{\text{斜边}}
6第 6 页 · 余弦:角的邻边比斜边

正切:角的对边比邻边

正弦、余弦的分子或分母都用到斜边。但坡度只问「升多少、走多远」,斜边多长根本无所谓。正切 tan 就是这个比值。

定义
tan A = 对边 ÷ 邻边,分子分母都不含斜边
就是坡度
对边是垂直升高,邻边是水平距离,正好是斜面的陡缓
陡缓直接读数
tan 越大坡越陡;45° 时 tan=1,越近 90° tan 涨得越快
斜坡的坡度对应 →tan 值

升高÷水平距离=坡度比;坡越陡 tan 越大,缓坡 tan 接近 0

tanA=对边邻边\tan A = \dfrac{\text{对边}}{\text{邻边}}
7第 7 页 · 正切:角的对边比邻边

正弦、余弦、正切的关系

从同一个直角三角形出发,看 sin、cos、tan 分别用了哪两条边,以及三者之间最关键的一条关系。

图解渲染中…
F1sin = 对边 ÷ 斜边F2cos = 邻边 ÷ 斜边F3tan = 对边 ÷ 邻边R三者恒等式:tan = sin ÷ cos
8第 8 页 · 正弦、余弦、正切的关系

推导 30°、45°、60° 的函数值

三个特殊角的值,由两类对称三角形直接读出,不需要死记。

1
切等边三角形
边长取 2 作等边三角形,作高后切成两个 30-60-90 直角三角形
2
算 30° 与 60°
直角边 1 与 √3,斜边 2,三角函数即这些边的比
3
造等腰直角三角形
两直角边都取 1,斜边自然为 √2,得 45-45-90 模板
4
算 45°
三边比 1:1:√2,sin、cos、tan 全含 √2/2
5
汇成速记表
三个角、六行比值,是后续所有三角计算的基础参照
9第 9 页 · 推导 30°、45°、60° 的函数值

三个特殊角的函数值对比

六个函数值不用死记——正弦和余弦之间藏着对称规律。

正弦值
  • sin30° = 1/2
  • sin45° = √2/2
  • sin60° = √3/2
  • 随角度增大单调递增
余弦值
  • cos30° = √3/2
  • cos45° = √2/2
  • cos60° = 1/2
  • 随角度增大单调递减
正余弦互补:sinθ = cos(90°−θ)。30° 与 60° 的值正好对调,只记 45° 的中间值即可。
10第 10 页 · 三个特殊角的函数值对比

特殊角的三角函数练习

点击作答

在 30°-60°-90° 的直角三角形中,斜边长为 2,则 30° 角所对的直角边长度为:

11第 11 页 · 特殊角的三角函数练习

锐角三角函数单元总结

  • 直角三角形中,角确定则边之比固定——三角函数的前提
  • sin、cos、tan 是把角翻译成边之比的三种方式
  • 同一个角的三个函数值互相牵制,可从一个推出另两个
  • 30°/45°/60° 函数值背一张表,后续计算都靠它
延伸主题:解直角三角形及其应用三角函数在物理中的应用任意角三角函数推广
12第 12 页 · 锐角三角函数单元总结

课后思考

先自己琢磨,再看参考答案——好的问题值得多想一会。

1为什么不同大小的直角三角形中,相同锐角的三角函数值始终不变?

参考答案因为相似三角形对应边成比例。角决定的是形状而非大小——斜边放大几倍,对边也放大同样倍数,比值不变。

2如果不让你靠近旗杆,能用今天的方法测出旗杆的高度吗?需要知道哪些量?

参考答案可以!在远处测出仰角和到旗杆的水平距离,正切乘以距离就是高度。核心是找到可测的边和角。

3当一个锐角越来越接近 0° 或 90° 时,三个三角函数值会怎样变化?

参考答案趋近 0°:对边趋近 0,三个函数值都趋近 0。趋近 90°:邻边趋近 0,正弦趋近 1,正切趋近无穷大。

13第 13 页 · 课后思考