第 10 章 图形的变换与视图
本章把七年级的平移、轴对称,八年级的中心对称、坐标与图形,九年级的旋转、位似、投影与三视图合并在一起。图形变换研究图形在运动中的不变量,视图研究从不同方向观察立体图形得到的平面图形。
10.1 平移
10.1.1 平移的意义
在平面内,把一个图形沿某个方向移动一定的距离,这样的图形运动叫平移。
- 平移由平移的方向和平移的距离决定。
- 平移不改变图形的形状和大小,只改变图形的位置。
- 平移后的图形与原图形全等。
- 平移后,对应点之间的连线互相平行且相等。
- 平移后,对应线段互相平行且相等,对应角相等。
10.1.2 平移的坐标变化
- 点 $(x,y)$ 向右平移 $a$ 个单位,得到 $(x+a,y)$。
- 点 $(x,y)$ 向左平移 $a$ 个单位,得到 $(x-a,y)$。
- 点 $(x,y)$ 向上平移 $b$ 个单位,得到 $(x,y+b)$。
- 点 $(x,y)$ 向下平移 $b$ 个单位,得到 $(x,y-b)$。
- 口诀:右加左减,上加下减。
10.1.3 平移作图
- 找出原图形的关键点。
- 按平移的方向和距离,作出各关键点的对应点。
- 按原图形的顺序连接各对应点。
- 检查对应点连线是否平行且相等。
10.2 旋转
10.2.1 旋转的意义
在平面内,把一个图形绕一个定点转动一个角度,这样的图形运动叫旋转。
- 定点叫旋转中心,转动的角度叫旋转角,转动的方向叫旋转方向。
- 旋转方向分为顺时针方向和逆时针方向。
- 旋转不改变图形的形状和大小,只改变图形的位置和方向。
- 旋转后的图形与原图形全等。
- 对应点到旋转中心的距离相等。
- 对应点与旋转中心连线的夹角等于旋转角。
10.2.2 旋转的坐标变化(拓展)
以原点为旋转中心:
- 逆时针旋转 $90^\circ$:$(x,y)\to(-y,x)$。
- 顺时针旋转 $90^\circ$:$(x,y)\to(y,-x)$。
- 旋转 $180^\circ$:$(x,y)\to(-x,-y)$。
10.2.3 旋转作图
- 确定旋转中心、旋转方向和旋转角。
- 连接原图形的关键点与旋转中心。
- 按规定的方向和角度,作出各关键点的对应点。
- 按原图形的顺序连接各对应点。
- 检查对应点到旋转中心的距离是否相等,夹角是否等于旋转角。
10.3 轴对称
10.3.1 轴对称图形与轴对称
如果一个图形沿一条直线折叠,直线两旁的部分能够互相重合,这个图形叫轴对称图形,这条直线叫它的对称轴。
把一个图形沿一条直线折叠,如果它能够与另一个图形重合,那么这两个图形成轴对称。
- 轴对称图形研究的是一个图形自身的对称性;轴对称研究的是两个图形之间的位置关系。
- 轴对称图形至少有一条对称轴;圆有无数条对称轴。
- 成轴对称的两个图形全等。
- 对应点的连线被对称轴垂直平分。
- 对应线段相等,对应角相等。
10.3.2 轴对称的坐标变化
- 点 $(x,y)$ 关于 $x$ 轴对称,得到 $(x,-y)$。
- 点 $(x,y)$ 关于 $y$ 轴对称,得到 $(-x,y)$。
- 点 $(x,y)$ 关于原点对称,得到 $(-x,-y)$。
- 关于 $x$ 轴对称,横坐标不变,纵坐标互为相反数;关于 $y$ 轴对称,纵坐标不变,横坐标互为相反数;关于原点对称,横、纵坐标都互为相反数。
10.3.3 轴对称作图
- 找出原图形的关键点。
- 作出各关键点关于对称轴的对称点。
- 按原图形的顺序连接各对称点。
- 检查对应点连线是否被对称轴垂直平分。
10.3.4 轴对称的应用
- 利用轴对称可以证明线段相等、角相等。
- 利用轴对称可以作最短路径:在直线同侧有两个点 $A,B$,在直线上求一点 $P$,使 $PA+PB$ 最小,可作 $A$ 关于直线的对称点 $A'$,连接 $A'B$ 与直线的交点即为 $P$。
- 利用轴对称可以设计图案、解决折叠问题。
10.4 中心对称
10.4.1 中心对称图形与中心对称
把一个图形绕某一点旋转 $180^\circ$,如果旋转后的图形能够与原来的图形重合,那么这个图形叫中心对称图形,这个点叫它的对称中心。
把一个图形绕某一点旋转 $180^\circ$,如果它能够与另一个图形重合,那么这两个图形成中心对称。
- 中心对称图形研究的是一个图形自身的对称性;中心对称研究的是两个图形之间的位置关系。
- 成中心对称的两个图形全等。
- 对称中心是对应点连线的中点。
- 对应线段平行(或在同一条直线上)且相等。
10.4.2 中心对称的坐标变化
- 点 $(x,y)$ 关于原点对称,得到 $(-x,-y)$。
- 关于原点对称,横、纵坐标都互为相反数。
10.4.3 中心对称与轴对称的区别
- 中心对称是绕某一点旋转 $180^\circ$;轴对称是沿某一条直线折叠。
- 中心对称的对称中心是一个点;轴对称的对称轴是一条直线。
- 中心对称图形不一定是轴对称图形,轴对称图形也不一定是中心对称图形。
- 正方形、圆、菱形既是中心对称图形,又是轴对称图形。
10.5 位似
10.5.1 位似的意义
两个多边形不仅相似,而且对应顶点的连线相交于一点,对应边互相平行(或在同一条直线上),这样的两个图形叫位似图形,这个点叫位似中心,相似比叫位似比。
- 位似图形一定是相似图形,相似图形不一定是位似图形。
- 位似图形对应点的连线都经过位似中心。
- 位似图形对应边互相平行(或在同一条直线上)。
- 位似图形上任意一对对应点到位似中心的距离之比等于位似比。
10.5.2 位似的坐标变化
以原点为位似中心,位似比为 $k$:
- 如果两个图形在位似中心的同侧,点 $(x,y)$ 的对应点为 $(kx,ky)$。
- 如果两个图形在位似中心的异侧,点 $(x,y)$ 的对应点为 $(-kx,-ky)$。
- 位似比 $k>0$;$k>1$ 表示放大,$0<k<1$ 表示缩小。
10.5.3 位似作图
- 确定位似中心和位似比。
- 连接位似中心与原图形的各顶点。
- 在射线上按位似比截取对应点。
- 按原图形的顺序连接各对应点。
- 检查对应边是否平行,对应点连线是否经过位似中心。
10.6 坐标与图形变换
- 平移:右加左减,上加下减。
- 关于 $x$ 轴对称:$(x,y)\to(x,-y)$。
- 关于 $y$ 轴对称:$(x,y)\to(-x,y)$。
- 关于原点对称:$(x,y)\to(-x,-y)$。
- 绕原点旋转 $180^\circ$:$(x,y)\to(-x,-y)$。
- 绕原点逆时针旋转 $90^\circ$:$(x,y)\to(-y,x)$。
- 绕原点顺时针旋转 $90^\circ$:$(x,y)\to(y,-x)$。
- 以原点为位似中心,位似比为 $k$:同侧 $(kx,ky)$,异侧 $(-kx,-ky)$。
- 图形的变换可以转化为对应点坐标的变化;反过来,坐标的变化也可以描述图形的变换。
10.7 投影与视图
10.7.1 投影
用光线照射物体,在某个平面上得到的影子叫物体的投影。
- 平行投影:由平行光线形成的投影。
- 中心投影:由同一点(点光源)发出的光线形成的投影。
- 正投影:投影线垂直于投影面时产生的投影。
- 平行投影中,同一时刻物高与影长成比例。
- 中心投影中,物体的影长与物体到光源的距离有关。
10.7.2 三视图
从正面看到的图形叫主视图,从上面看到的图形叫俯视图,从左面看到的图形叫左视图。
- 主视图、俯视图、左视图合称三视图。
- 三视图的位置关系:主视图在左上,俯视图在主视图下方,左视图在主视图右方。
- 三视图的大小关系:长对正,高平齐,宽相等。
- 看得见的轮廓线画实线,看不见的轮廓线画虚线。
- 画三视图时,要注意物体的摆放位置和观察方向。
10.7.3 常见几何体的三视图
| 几何体 | 主视图 | 俯视图 | 左视图 |
|---|---|---|---|
| 正方体 | 正方形 | 正方形 | 正方形 |
| 长方体 | 长方形 | 长方形 | 长方形 |
| 圆柱 | 长方形 | 圆 | 长方形 |
| 圆锥 | 三角形 | 圆(带圆心) | 三角形 |
| 球 | 圆 | 圆 | 圆 |
| 三棱柱 | 长方形 | 三角形 | 长方形 |
- 由三视图还原几何体时,要综合三个视图的信息,不能只看一个视图。
- 三视图中,虚线和实线表示不同位置的轮廓,不能随意省略。
10.8 图形变换的综合应用
- 利用平移可以构造平行线、平行四边形。
- 利用旋转可以构造全等三角形、等边三角形、正方形。
- 利用轴对称可以解决最短路径、折叠、等腰三角形等问题。
- 利用中心对称可以构造平行四边形、证明线段相等。
- 利用位似可以放大或缩小图形,解决测量和作图问题。
- 图形变换的共同点:变换前后的图形全等或相似,对应线段、对应角有确定的关系。
练习
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点 $A(-2,3)$ 向右平移 $5$ 个单位,再向下平移 $4$ 个单位,求平移后点的坐标。
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点 $B(4,-1)$ 向左平移 $3$ 个单位,再向上平移 $2$ 个单位,求平移后点的坐标。
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求点 $P(2,-3)$ 关于 $x$ 轴、$y$ 轴、原点对称的点的坐标。
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点 $Q(-1,4)$ 绕原点逆时针旋转 $90^\circ$、顺时针旋转 $90^\circ$、旋转 $180^\circ$,分别求对应点的坐标。
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以原点为位似中心,位似比为 $2$,求点 $(1,-2)$ 在同侧和异侧的对应点坐标。
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说出下列几何体的三视图分别是什么。 (1)圆柱 (2)圆锥 (3)球 (4)正方体
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根据三视图判断几何体。 (1)主视图是长方形,俯视图是圆,左视图是长方形。 (2)主视图是三角形,俯视图是圆(带圆心),左视图是三角形。 (3)三个视图都是圆。
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同一时刻,一根高 $1.5$ 米的竹竿影长为 $2$ 米,一棵树的影长为 $10$ 米。求树高。
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在直线 $l$ 的同侧有 $A,B$ 两点,在 $l$ 上求作一点 $P$,使 $PA+PB$ 最小。说明作图方法。
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判断下面各题,并说明理由。 (1)平移改变图形的形状。 (2)旋转不改变图形的大小。 (3)中心对称图形一定是轴对称图形。 (4)位似图形一定相似。
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利用平移、旋转或轴对称设计一个图案,并说明你用了哪种变换。
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如图,在正方形 $ABCD$ 中,$E$ 是 $BC$ 上一点,将 $\triangle ABE$ 绕点 $B$ 顺时针旋转 $90^\circ$ 得到 $\triangle CBF$。说明 $AE\perp CF$。
检测题
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判断下面各题,并说明理由。 (1)平移不改变图形的形状和大小。 (2)旋转改变图形的大小。 (3)成轴对称的两个图形,对应点连线被对称轴垂直平分。 (4)中心对称图形一定是轴对称图形。 (5)位似图形一定是相似图形。
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点 $A(3,-2)$ 关于 $x$ 轴、$y$ 轴、原点对称的点的坐标分别是什么?将点 $A$ 绕原点逆时针旋转 $90^\circ$,对应点的坐标是什么?
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根据三视图判断几何体。 (1)主视图和左视图都是长方形,俯视图是圆。 (2)主视图和左视图都是三角形,俯视图是圆。 (3)三个视图都是正方形。
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平行投影和中心投影有什么区别?同一时刻,物高与影长成比例,这适用于哪种投影?
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以原点为位似中心,位似比为 $\frac{1}{2}$,求点 $(4,-6)$ 在同侧和异侧的对应点坐标。
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比较平移、旋转、轴对称、中心对称的相同点和不同点。
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下面是小明的解题过程,请判断是否正确,并说明理由。 以原点为位似中心,位似比为 $2$,点 $(1,3)$ 的对应点一定是 $(2,6)$。
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写出满足下列条件的图形或坐标各一个。 (1)一个既是轴对称图形又是中心对称图形的图形。 (2)一个只经过平移得到的点。 (3)一个位似比为 $2$ 的位似图形。
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如图,在直线 $l$ 的同侧有 $A,B$ 两点,在 $l$ 上求作一点 $P$,使 $PA+PB$ 最小。说明作法和理由。
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在正方形 $ABCD$ 中,$E$ 是 $BC$ 上一点,将 $\triangle ABE$ 绕点 $B$ 顺时针旋转 $90^\circ$ 得到 $\triangle CBF$。 (1)说明 $AE=CF$。 (2)说明 $AE\perp CF$。
参考答案与提示
- $(-2+5,3-4)=(3,-1)$。
- $(4-3,-1+2)=(1,1)$。
- 关于 $x$ 轴:$(2,3)$;关于 $y$ 轴:$(-2,-3)$;关于原点:$(-2,3)$。
- 逆时针 $90^\circ$:$(-4,-1)$;顺时针 $90^\circ$:$(4,1)$;$180^\circ$:$(1,-4)$。
- 同侧:$(2,-4)$;异侧:$(-2,4)$。
- (1)主视图长方形,俯视图圆,左视图长方形;(2)主视图三角形,俯视图圆(带圆心),左视图三角形;(3)三个视图都是圆;(4)三个视图都是正方形。
- (1)圆柱;(2)圆锥;(3)球。
- 设树高为 $x$ 米,$\frac{1.5}{2}=\frac{x}{10}$,$x=7.5$。
- 作点 $A$ 关于直线 $l$ 的对称点 $A'$,连接 $A'B$ 交 $l$ 于点 $P$。理由:$PA=PA'$,所以 $PA+PB=PA'+PB$,两点之间线段最短。
- (1)错误。平移不改变图形的形状和大小。(2)正确。旋转不改变图形的大小。(3)错误。中心对称图形不一定是轴对称图形,例如平行四边形是中心对称图形,但不是轴对称图形。(4)正确。位似图形一定相似。
- 略。说明所用的变换即可。
- 由旋转的性质,$AE=CF$,且对应线段 $AE$ 与 $CF$ 的夹角等于旋转角 $90^\circ$,所以 $AE\perp CF$。
检测题参考答案
- (1)正确。平移是刚体运动,不改变形状和大小。(2)错误。旋转不改变图形的大小,只改变位置和方向。(3)正确。这是轴对称的性质。(4)错误。中心对称图形不一定是轴对称图形,例如平行四边形。(5)正确。位似图形是特殊的相似图形。
- 关于 $x$ 轴:$(3,2)$;关于 $y$ 轴:$(-3,-2)$;关于原点:$(-3,2)$;逆时针旋转 $90^\circ$:$(2,3)$(公式 $(x,y)\to(-y,x)$)。
- (1)圆柱;(2)圆锥;(3)正方体。
- 平行投影的光线是平行的,中心投影的光线交于一点;同一时刻物高与影长成比例适用于平行投影。
- 同侧:$(2,-3)$;异侧:$(-2,3)$。
- 相同点:平移、旋转、轴对称、中心对称都不改变图形的形状和大小,都改变图形的位置。不同点:平移不改变图形的方向;旋转、轴对称、中心对称都会改变图形的方向;轴对称的对称元素是一条直线,中心对称的对称元素是一个点。
- 不正确。以原点为位似中心、位似比为 $2$ 时,对应点可能在同侧 $(2,6)$,也可能在异侧 $(-2,-6)$;题目没有说明两个图形在位似中心的同侧还是异侧。
- 示例:(1)正方形(或圆、菱形);(2)点 $(1,2)$ 向右平移 $2$ 个单位得到 $(3,2)$;(3)以原点为位似中心,把三角形各顶点坐标乘以 $2$,得到的新三角形与原三角形的位似比为 $2$。
- 作法:作点 $A$ 关于直线 $l$ 的对称点 $A'$,连接 $A'B$ 交 $l$ 于点 $P$,则 $P$ 为所求。理由:$PA=PA'$,所以 $PA+PB=PA'+PB$;当 $A',P,B$ 三点共线时,$PA'+PB$ 最小,即 $PA+PB$ 最小。
- (1)旋转不改变图形的大小,所以 $AE=CF$。(2)旋转角为 $90^\circ$,对应线段 $AE$ 与 $CF$ 的夹角等于 $90^\circ$,所以 $AE\perp CF$。