Симметрия в пространстве - это красивое, гармоничное и уравновешенное пропорциональное соотношение частей или элементов различных форм предметов, организмов или объектов. В пространстве вокруг нас можно наблюдать очень много неживых предметов симметричной формы. Живые организмы, как простейшие, так и сложные высокоорганизованные, также в своем строении имеют элементы симметрии.
Стремление к совершенству
Симметричную форму можно отождествить с совершенством и гармонией. Недаром такие слова, как «симметрия» и «совершенство» являются синонимами в языках многих народов.
Симметрия в пространстве встречается повсюду. Многообразие форм растений и живых организмов поражает соразмерностью, согласованностью и эргономичностью формы. Тут все продумано до мелочей: поразительная красота, изящность пропорций и ничего лишнего. Все предусмотрено для наилучшей функциональности жизни.
Центральная симметрия
В пространстве окружающего нас мира неживой природы явственно видна в устройстве кристаллов. Этот вид симметрии хорошо прослеживается в строении снежинок, являющихся кристаллами льда. Их формы поражают многообразием. Но все они центрально симметричны.
Примером центральной или радиальной симметрии могут служить цветы растений: подсолнух, ромашка, ирис, астра. Этот вид симметрии еще называют поворотным. Если лепестки цветка или лучи снежинки поворачивать относительно центра, то они наложатся друг на друга.
Зеркальная симметрия
Зеркальная симметрия в пространстве окружающего нас природного мира наблюдается у растений и животных. дуба или папоротника, жук или бабочка, паук или гусеница, мышь или заяц - вот только некоторые примеры, где можно в живых организмах увидеть билатеральную, или зеркальную симметрию. Симметричны человека, а также части тела: руки, ноги. В этих формах мы наблюдаем как бы зеркальное отражение одной половины объекта от другой. Если расположить объект в плоскости, то его изображение можно мысленно согнуть посередине, и одна половинка наложится на другую.
Гипотеза возникновения симметрии
В научном мире существует несколько гипотез, с помощью которых пытаются объяснить, как возникла симметрия в пространстве нашего мира. Согласно одной из них, все, что растет вверх или вниз, подчинено закону А то, что формируется параллельно земной поверхности или под наклоном к ней, принимает зеркально-симметричную форму. Эти свойства пытаются объяснить земным притяжением от центра планеты и различной степенью освещенности объектов солнечным светом в зависимости от их расположения.
Симметрия в науке и искусстве
Симметрия в пространстве была оценена художниками, скульпторами и архитекторами еще в глубокой древности. Мы видим элементы симметрии в древних наскальных изображениях, в орнаментальных украшениях древних предметов и оружия. Египетские пирамиды и пирамиды майя, купола славянских соборов, греческих храмов и дворцов, античные арки и амфитеатры, фасад Белого дома и Московский Кремль - вот только некоторые примеры стремления к возвышенной красоте и подлинному совершенству.
Понятия симметрии серьезно разрабатывались математиками. Проведенные математические исследования позволили выделить основные закономерности симметрии на плоскости и в пространстве. Физика и химия также не обошли стороной эту интересную природную закономерность. Академик В. И. Вернадский считал, что «симметрия... охватывает свойства всех полей, с которыми имеет дело физик и химик». Благодаря симметричному строению атомов, молекулы вступают в различные реакции и обусловливают физические свойства формирования кристаллов. Даже если законы физики, устанавливающие физические величины, будут неизменны при различных преобразованиях, то можно сказать, что эти законы обладают инвариантностью или симметрией по отношению к данным преобразованиям.
§ 1 Что такое симметрия
Цитатой этого урока послужит высказывание известного ученого, создателя кибернетики Норберта Винера, которое очень точно выражает все то, о чем сегодня пойдет речь.
«Высшее назначение математики - находить красоту, гармонию и порядок в хаосе, который нас окружает».
Симметрия один из законов обеспечивающих гармонию вселенной, о ней мы и поведем сегодня речь и расширим те понятия, которые были введены на уроках планиметрии.
В повседневном языке слово симметрия употребляется в двух значениях. В одном смысле симметричное означает нечто, обладающее хорошим соотношением пропорций, уравновешенное, а симметрия обозначает тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в единое целое. Красота тесно связана с симметрией. Об этом говорит, например, в своей книге о пропорциях Поликлет - ваятель, скульптуры которого служили предметом восхищения древних за их гармоничное совершенство. Образ весов является естественным связующим звеном, которое подводит ко второму смыслу слова симметрия, употребляемому в наше время: зеркальная симметрия - симметрия левого и правого, столь заметная в строении тел у высших животных и человека.
Зеркальная симметрия выступает как частный случай геометрического понятия симметрии, относящегося к таким операциям, как отражение или вращение.
Пифагорейцы считали наиболее совершенными геометрическими фигурами на плоскости — окружность, а в пространстве - сферу в силу их полной поворотной симметрии.
Симметрия в широком или узком смысле является той идеей, посредством которой человек на протяжении веков пытается постичь и создать порядок, красоту и совершенство. Так свойства пространства и времени ведут к симметрии, к закономерности в природе как проявлению ее гармонии
§ 2 Симметрия относительно точки
В планиметрии мы рассматривали фигуры, симметричные относительно точки и относительно прямой. В стереометрии рассматривают симметрию относительно точки, прямой и плоскости.
Точки А и А1 называются симметричными относительно точки О (центра симметрии), если О - середина отрезка АА1. Точка О считается симметричной самой себе. Примером центральной симметрии может послужить цветок или узор
§ 3 Симметрия относительно прямой
Точки А и А1 называются симметричными относительно прямой а (ось симметрии), если прямая а проходит через середину отрезка АА1 и перпендикулярна этому отрезку. Каждая точка прямой а считается симметричной самой себе.
Примером такой симметрии могут послужить не только прелестные бабочки, но и даже целые здания, такие как
корпус Московского государственного университета им. Ломоносова,
Храм Христа Спасителя,
мавзолей- мечеть Тадж-Махал.
§ 4 Симметрия относительно плоскости
В пространственной геометрии добавим симметрию относительно плоскости.
Точки А и А1 называются симметричными относительно плоскости α (плоскость симметрии), если плоскость α проходит через середину отрезка АА1 и перпендикулярна к этому отрезку. Каждая точка плоскости α считается симметричной самой себе.
Изучая стереометрию, можно также говорить о центре, оси и плоскости симметрии фигуры.
Точка (прямая, плоскость) называется центром (осью, плоскостью) симметрии фигуры, если каждая точка фигуры симметрична относительно нее некоторой точке той же фигуры. Если фигура имеет центр (ось, плоскость симметрии), то говорят, что она обладает центральной (осевой, зеркальной) симметрией.
На рисунках вы сейчас можете увидеть прямоугольный параллелепипед, а так же его центр симметрии, ось симметрии, плоскость симметрии.
Параллелепипед, не являющийся прямоугольным, но являющийся прямой призмой, имеет плоскость (или плоскости, если его основание - ромб), ось и центр симметрии.
§ 5 Асимметрия
Фигура может иметь один или несколько центров симметрии (осей, плоскостей симметрии). Например, куб имеет только один центр симметрии и несколько осей и плоскостей симметрии. Существуют фигуры, имеющие бесконечно много центров, осей или плоскостей симметрии. Простейшими из таких фигур являются прямая и плоскость. И наоборот, существуют такие фигуры, которые не имеют центров, осей или плоскостей симметрии. В этом случае говорят еще об одном математическом понятии как асимметрия, которое обозначает отсутствие симметрии. Сегодня биологи и психологи, химики и врачи пытаются сообща справиться с загадками симметрии и разгадать тайны левого и правого. Каждый день мы смотрим в зеркало, но редко задумываемся о том, что в отражении правая рука превращается в левую. Зачем природа создала и дублировала некоторые функции полушарий, руки, ноги, глаза, а рот у человека один. Удивительно при всей нашей симметрии мы ассиметричны. Современные компьютерные технологии позволяют увидеть, каким бы был человек только из левых половин лица или из правых. Результат ошеломляет большинство увидевших получившиеся портреты. Право и левополушарные лица оказываются непохожими между собой. Оглянитесь вокруг, может быть, и вы увидите симметрию и асимметрию вокруг и восхититесь ею.
- Геометрия. 10 – 11 классы: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / [ Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др.]. – 22-е изд. – М. : Просвещение, 2013. – 255 с. : ил. – (МГУ - в школе)
- Учебно – методическое пособие в помощь школьному учителю Составитель Яровенко В.А. Поурочные разработки по геометрии к учебному комплекту Л. С. Атанасяна и др. (М. : Просвещение) 10 класс
- Рабинович Е. М. Задачи и упражнения на готовых чертежах. 10 – 11 классы. Геометрия. – М. : Илекса, 2006 . – 80 с.
- М. Я Выгодский Справочник по элементарной математике М. : АСТ Астрель, 2006. - 509с.
- Аванта+. Энциклопедия для детей. Том 11. Математика 2-е изд., перераб. - М.: Мир энциклопедий Аванта+: Астрель 2007. - 621 с. Ред. коллегия: М. Аксёнова, В. Володин, М. Самсонов
На данном уроке мы опишем виды симметрии в пространстве, познакомимся с понятием правильного многогранника.
Как и в планиметрии, в пространстве мы будем рассматривать симметрию относительно точки и относительно прямой, но дополнительно появится симметрия относительно плоскости.
Определение.
Точки А и называются симметричными относительно точки О (центра симметрии), если О - середина отрезка . Точка О симметрична сама себе.
Чтобы для заданной точки А получить симметричную ей точку относительно точки О, нужно провести прямую через точки А и О, отложить от точки О отрезок, равный ОА, и получить искомую точку (рисунок 1).
Рис. 1. Симметрия относительно точки
Аналогично точки В и симметричны относительно точки О, т. к. О - середина отрезка .
Так, задан закон, согласно которому каждая точка плоскости переходит в другую точку плоскости, и мы говорили, что при этом сохраняются любые расстояния, то есть .
Рассмотрим симметрию относительно прямой в пространстве.
Чтобы получить для заданной точки А симметричную точку относительно некоторой прямой а, нужно из точки А на прямую опустить перпендикуляр и отложить на нем равный отрезок (рисунок 2).
Рис. 2. Симметрия относительно прямой в пространстве
Определение.
Точки А и называются симметричными относительно прямой а (ось симметрии) если прямая а проходит через середину отрезка и перпендикулярна ему. Каждая точка прямой симметрична сама себе.
Определение.
Точки А и называются симметричными относительно плоскости (плоскость симметрии) если плоскость проходит через середину отрезка и перпендикулярна ему. Каждая точка плоскости симметрична сама себе (рисунок 3).
Рис. 3. Симметрия относительно плоскости
Некоторые геометрические фигуры могут иметь центр симметрии, ось симметрии, плоскость симметрии.
Определение.
Точка О называется центром симметрии фигуры если каждая точка фигуры симметрична относительно нее некоторой точке той же фигуры.
Например, в параллелограмме и параллелепипеде точка пересечения всех диагоналей является центром симметрии. Проиллюстрируем для параллелепипеда.
Рис. 4. Центр симметрии параллелепипеда
Так, при симметрии относительно точки О в параллелепипеде 
точка А переходит в точку , точка В - в точку и т. д., таким образом, параллелепипед переходит сам в себя.
Определение.
Прямая называется осью симметрии фигуры если каждая точка фигуры симметрична относительно нее некоторой точке той же фигуры.
Например, каждая диагональ ромба является для него осью симметрии, ромб переходит сам в себя при симметрии относительно любой из диагоналей.
Рассмотрим пример в пространстве - прямоугольный параллелепипед (боковые ребра перпендикулярны основаниям, в основаниях - равные прямоугольники). Такой параллелепипед имеет оси симметрии. Одна из них проходит через центр симметрии параллелепипеда (точку пересечения диагоналей) и центры верхнего и нижнего оснований.
Определение.
Плоскость называется плоскостью симметрии фигуры, если каждая точка фигуры симметрична относительно нее некоторой точке той же фигуры.
Например, прямоугольный параллелепипед имеет плоскости симметрии. Одна из них проходит через середины противоположных ребер верхнего и нижнего оснований (рисунок 5).
Рис. 5. Плоскость симметрии прямоугольного параллелепипеда
Элементы симметрии присущи правильным многогранникам.
Определение.
Выпуклый многогранник называется правильным, если все его грани - равные правильные многоугольники, а в каждой вершине сходится одинаковое число ребер.
Теорема.
Не существует правильного многогранника, гранями которого являются правильные n-угольники при .
Доказательство:
Рассмотрим случай, когда - правильный шестиугольник. Все его внутренние углы равны :
Тогда при внутренние углы будут и больше.
В каждой вершине многогранника сходятся не менее трех ребер, значит, в каждой вершине содержится не менее трех плоских углов. Их общая сумма (при условии, что каждый больше либо равен ) больше либо равна . Это противоречит утверждению: в выпуклом многограннике сумма плоских всех углов при каждой вершине меньше .
Теорема доказана.
Куб (рисунок 6):
Рис. 6. Куб
Куб составлен из шести квадратов; квадрат - это правильный многоугольник;
Каждая вершина - это вершина трех квадратов, например вершина А - общая для граней-квадратов ABCD, 
;
Сумма всех плоских углов при каждой вершине составляет , т. к. состоит из трех прямых углов. Это меньше , что удовлетворяет понятию правильного многогранника;
Куб имеет центр симметрии - точка пересечения диагоналей;
Куб имеет оси симметрии, например прямые а и b (рисунок 6), где прямая а проходит через середины противоположных граней, а b - через середины противоположных ребер;
Куб имеет плоскости симметрии, например плоскость, которая проходит через прямые а и b.
2. Правильный тетраэдр (правильная треугольная пирамида, все ребра которой равны между собой):
Рис. 7. Правильный тетраэдр
Правильный тетраэдр составлен из четырех равносторонних треугольников;
Сумма всех плоских углов при каждой вершине составляет , т. к. правильный тетраэдр состоит из трех плоских углов по . Это меньше , что удовлетворяет понятию правильного многогранника;
Правильный тетраэдр имеет оси симметрии, они проходят через середины противоположных ребер, например прямая MN. Кроме того, MN - расстояние между скрещивающимися прямыми АВ и CD, MN перпендикулярно ребрам АВ и CD;
Правильный тетраэдр имеет плоскости симметрии, каждая проходит через ребро и середину противоположного ребра (рисунок 7);
Правильный тетраэдр не имеет центра симметрии.
3. Правильный октаэдр:
Состоит из восьми равносторонних треугольников;
В каждой вершине сходятся по четыре ребра;
Сумма всех плоских углов при каждой вершине составляет , т. к. правильный октаэдр состоит из четырех плоских углов по . Это меньше , что удовлетворяет понятию правильного многогранника.
4. Правильный икосаэдр:
Состоит из двадцати равносторонних треугольников;
В каждой вершине сходятся по пять ребер;
Сумма всех плоских углов при каждой вершине составляет , т. к. правильный икосаэдр состоит из пяти плоских углов по . Это меньше , что удовлетворяет понятию правильного многогранника.
5. Правильный додекаэдр:
Состоит из двенадцати правильных пятиугольников;
В каждой вершине сходятся по три ребра;
Сумма всех плоских углов при каждой вершине составляет 
. Это меньше , что удовлетворяет понятию правильного многогранника.
Итак, мы рассмотрели виды симметрии в пространстве и дали строгие определения. Также определили понятие правильного многогранника, рассмотрели примеры таких многогранников и их свойства.
Список литературы
- И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) / И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. - 5-е изд., испр. и доп. - М.: Мнемозина, 2008. - 288 с.: ил.
- Шарыгин И. Ф. Геометрия. 10-11 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / Шарыгин И. Ф. - М.: Дрофа, 1999. - 208 с.: ил.
- Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. Геометрия. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений с углубленным и профильным изучением математики /Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. - 6-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2008. - 233 с.: ил.
- Matemonline.com ().
- Fmclass.ru ().
- 5klass.net ().
Домашнее задание
- Укажите количество осей симметрии прямоугольного параллелепипеда;
- укажите количество осей симметрии правильной пятиугольной призмы;
- укажите количество плоскостей симметрии октаэдра;
- постройте пирамиду, у которой есть все элементы симметрии.
Цели урока :
Познакомить учащихся с понятием симметрия в пространстве.
Рассмотреть понятие симметрия, используя содержательные связи математики, физики, химии и биологии.
Рассмотреть следующие виды симметрии: центральная, осевая, зеркальная, поворотная, винтовая.
Повышать у учащихся мотивацию изучения математики.
Развивающие:
1. Содействовать развитию познавательной активности.
2. Содействовать развитию воображения.
3. Содействовать развитию коммуникативных умений, умения работать в команде.
Воспитательные:
Содействовать развитию эстетического восприятия учащихся.
Содействовать расширению кругозора у учащихся.
Вид урока : изучение нового материала.
За 2 недели до проведения этого урока учитель должен разделить класс на команды. Каждая команда готовит сообщение по одной из следующих тем: «Симметрия», «Симметрия у растений», «Симметрия у животных», «Симметрия у человека», «Симметрия в химии». Разделение на команды происходит с учетом наличия интереса учащихся к тем или иным предметам. Интерес определяется учителем на основе личных наблюдений и бесед с учащимися.
Каждая команда получает ориентировочный план, в соответствии с которым необходимо подготовить сообщение по предложенной теме. Те пункты, которые указаны в плане, обязательно должны быть освещены.
Например, команда, которая готовит рассказ о симметрии у растений, получает следующий план:
1) вертикальная симметрия;
поворотная симметрия;
винтовая симметрия.
На первой неделе подготовки учащиеся сами ищут необходимую литературу и отбирают материал. В результате у каждого участника команды должен появиться конспект. Если у команды возникают затруднения с поиском материала, то учитель предлагает учащимся список литературы. Кроме того, учитель проводит консультации для тех команд, которые самостоятельно не справляются с подготовкой к уроку.
Можно предложить учащимся разделить обязанности внутри команды. Тогда кто-то из учащихся будет отвечать за поиск и подбор материала, кто-то - за изготовление (поиск) наглядных пособий, кто-то - за изложение материала на уроке, кто-то - за разработку и создание презентации. Однако все учащиеся должны знать материал, с которым работает их команда, и иметь конспект. После выступления каждой команды учитель может задать каждому ее участнику небольшой вопрос по изложенному материалу.
Команды выступают по очереди. Во время выступления команды все остальные учащиеся слушают и заполняют следующую таблицу:
Ход урока :
1. Создание учебной доминанты:
Учащимся предлагается следующее задание: заполните свободные части рисунков числами и фигурами, учитывая вид симметрии.
2. Вводное слово учителя:
Среди бесконечного многообразия форм живой и неживой природы в изобилии встречаются такие совершенные образцы, чей вид неизменно привлекает наше внимание. К числу таких образцов относятся некоторые кристаллы и микробы, многие животные и растения. Мы постоянно любуемся прелестью каждого отдельного цветка, мотылька или раковины и всегда пытаемся проникнуть в тайну красоты. Нас удивляет и архитектура пчелиных сот, и расположение семян на шляпке подсолнечника, и винтообразное расположение листьев на стебле растения.
Внимательное наблюдение обнаруживает, что основу красоты многих форм, созданных природой, составляет симметрия, точнее, все ее виды - от простейших до самых сложных.
Симметрия (от греческого symmetria - "соразмерность") - соразмерность, полное соответствие в расположении частей целого относительно средней линии, центра; строгая правильность в расположении, размещении чего-либо.
3. Каждая команда выступает со своим докладом.
4. Заключительное слово учителя:
По справедливому замечанию Г.Вейля, у истоков симметрии лежит математика. Вместе с тем симметрия воспринимается нами как элемент красоты вообще и красоты природы в частности. Сегодня мы рассмотрели симметрию с точки зрения математики, биологии, физики и химии. Кроме этого, симметрия широко используется в искусстве, в частности, в архитектуре.
5. Домашнее задание: найти и сделать копии (ксерокопии, фотографии и др.) изображений, раскрывающих тему «Симметрия в архитектуре нашего города». (Можно будет устроить выставку, используя полученные работы).
6. Теперь каждый из вас напишет небольшой синквейн (белый стих), посвященный теме нашего урока. Правила написания синквейна: в первой строке пишется тема (существительное), во второй строке: описание темы двумя прилагательными, в третьей строке: описание действий (три глагола), в четвертой строке: фраза из 4 слов, выражающих отношение к теме, пятая строка: слово, которое раскрывает суть темы, отмеченной в первой строке.
Пособия: таблицы и наглядные пособия по биологии, химии, физике; презентации в Power Point.
