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7.3 Areas of Sectors and Segments

扇形与弓形面积 - 圆形区域面积计算详解

扇形面积公式

扇形是圆中由两个半径和一个弧组成的图形。扇形面积的计算基于弧度制,非常简洁明了:

扇形面积公式

\[ A = \frac{1}{2} r^2 \theta \]

其中:A 为扇形面积,r 为圆的半径,θ 为圆心角(弧度)

几何理解

扇形面积公式可以理解为整个圆面积的 θ/(2π) 倍:
圆面积 = πr²
扇形面积 = (θ/(2π)) × πr² = (1/2)r²θ

这个公式简洁美观,正是弧度制优势的体现。如果使用角度,需要换算为弧度。

弓形面积公式

弓形(也称弓形)是圆弧与弦围成的区域。弓形面积可以通过"扇形减去三角形"的方法得到:

弓形面积公式

\[ A = \frac{1}{2} r^2 (\theta - \sin \theta) \]

其中:A 为弓形面积,r 为圆的半径,θ 为圆心角(弧度)

公式推导

  1. 扇形面积:扇形是由两个半径和弧组成的,面积为 \( \frac{1}{2} r^2 \theta \)
  2. 三角形面积:对应圆心角为θ的三角形面积为 \( \frac{1}{2} r^2 \sin \theta \)
  3. 弓形面积:扇形面积减去三角形面积,即 \( \frac{1}{2} r^2 \theta - \frac{1}{2} r^2 \sin \theta = \frac{1}{2} r^2 (\theta - \sin \theta) \)
几何意义

弓形 = 扇形 - △AOB,其中O为圆心,A、B为弧上两点。
扇形包括了三角形AOB和弓形两个部分。

公式关联与应用

扇形面积的应用

直接计算

已知半径r和圆心角θ(弧度),直接使用公式 \( A = \frac{1}{2} r^2 \theta \)

间接计算

已知弧长l和半径r,先求θ = l/r,再计算面积

反向计算

已知扇形面积和半径,求圆心角θ = 2A/r²

弓形面积的应用

直接计算

已知半径r和圆心角θ(弧度),直接使用公式 \( A = \frac{1}{2} r^2 (\theta - \sin \theta) \)

分解计算

分别计算扇形面积和三角形面积,再相减得到弓形面积

几何应用

在复合图形中,弓形常与其他几何形状组合使用

典型题型分析

扇形面积题型

例题1:基本计算

圆半径4cm,圆心角1.5rad,求扇形面积。
解:A = (1/2)×4²×1.5 = (1/2)×16×1.5 = 12 cm²

弓形面积题型

例题2:弓形计算

圆半径5cm,圆心角π/3 rad,求弓形面积。
解:A = (1/2)×5²×(π/3 - sin(π/3)) = (25/2)×(π/3 - √3/2) ≈ 2.26 cm²

综合题型

例题3:复合图形

半圆直径10cm,点C在半圆上,∠BOC = π/4 rad。
需要分别计算扇形、三角形、弓形的面积。

计算技巧

扇形面积计算步骤

  1. 确认圆心角以弧度为单位
  2. 代入公式 A = (1/2)r²θ
  3. 计算时注意括号和乘方顺序
  4. 结果保留合适的有效数字

弓形面积计算步骤

  1. 计算扇形面积 (1/2)r²θ
  2. 计算三角形面积 (1/2)r²sinθ
  3. 弓形面积 = 扇形面积 - 三角形面积
  4. 或直接使用公式 (1/2)r²(θ - sinθ)

注意事项

  • 圆心角必须是弧度制,计算器需设为弧度模式
  • 弓形面积公式中的θ必须小于2π(否则弓形会变成多个弓形)
  • 三角形面积公式中的sinθ需要正确的角度单位
  • 在复合图形中,要注意识别哪些是扇形,哪些是弓形
  • 弧长公式l = rθ与扇形面积公式密切相关,常结合使用