Geometrie Modul 4b WS 2015/16 Mi HS 1

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1 Geometrie Modul 4b WS 2015/16 Mi HS 1 Benötigte Materialien: Geometrieheft DIN-A-4 blanco weiß, quadratisches Faltpapier/Zettelblock, rundes Faltpapier; Zirkel, Geometriedreieck, Klebstoff, Schere V1 Geometrische Grundbegriffe V2 Grundkonstruktionen und Bestimmungslinien V3 Dreiecke und ihre Eigenschaften (Winkel, Kongruenzsätze, Linien/Punkte, Typisierung, Symmetrien, Winkelsätze) V4 Vierecke und ihre Eigenschaften (Typisierung, besondere Vierecke, Haus der Vierecke, Symmetrien) V5 Dreiecke (Flächensätze, Ähnlichkeit) V6 Vielecke (Sätze, Winkel, Symmetrien, Beziehungen zum Kreis) V7 Kreis (Geraden, Punkte, Typisierung, Symmetrien, Winkelsätze) V8 Kongruenzabbildungen - Symmetrie V9 Flächeninhalt und Umfang von Vielecken und Kreisen V10 Typisierung von Körpern (Quader, Prismen, Spitzkörper, Platonische Körper, Kugel) V11 Rauminhalt von Körpern (Rauminhalt von Prismen und Spitzkörpern, Rauminhalt und Oberfläche der Kugel) V12 Zusammenfassung (Freitag) Uhr, Klausur (HS 1, HS 2) 1

2 Programm Vorwort 1 Entwicklung des Geometrieunterrichts 2 Geometrische Grundbegriffe 3 Winkelarten 4 Axiome der Geometrie Folien zur Vorlesung: Intranet, Verzeichnis G, Mathematik Internet: 2

3 Vorwort Die Geometrie ist die älteste Wissenschaft. Sie ist vor langer Zeit aus praktischen Bedürfnissen der Menschen wie z. B. dem Entwerfen von Bauwerken, dem Vermessen von Land, dem Deuten des Laufs der Gestirne entstanden. In der Auseinandersetzung mit der Umwelt, im Bestreben, die Bedürfnisse der Menschen immer besser zu befriedigen, wurden immer mehr geometrische Erkenntnisse gefunden und gesammelt. Räumlichen Gebilden und Bestandteilen wurden Namen gegeben: Würfel, Kugel, Strecke, Punkt, Gerade u. a. Es entstanden Begriffe, welche die Beziehungen zwischen räumlichen und ebenen Gebilden widerspiegeln: parallel sein, zueinander senkrecht sein, sich schneiden usw. 3

4 Männer wie THALES, PYTHAGORAS und HIPPOKRATES sorgten für eine wachsende Fülle geometrischen Materials, das wiederum andere Gelehrte ordneten und in Beziehung setzten. Dazu gehörte vor allem EUKLID. Er trug wesentlich dazu bei, dass ein System entstand, das die logischen Beziehungen zwischen geometrischen Begriffen und Aussagen widerspiegelt, so dass die Geometrie sich als Wissenschaft entwickeln konnte. Die Bücher von Euklid, die Elemente waren dafür wesentliche Grundlagen. 4

5 1 Entwicklung des Geometrieunterrichts a. Bundesrepublik KMK 1968: Geometrieunterricht wird für die Grundschule verankert (Was sollte hinein in ein Geometriecurriculum?) Geometrische Grundvorstellungen: Würfel und Quadrat; Quader und Rechteck; Kugel und Kreis 5

6 KMK 1976 Fördern geometrischen Vorstellungsvermögens Kl. 1/2 Lagebeziehungen Muster Grundformen (Dreieck, Quadrat, Rechteck, Kreis, Würfel, Quader, Kugel) Zeichnen auf Gitterpapier spiegelsymmetrische Figuren 6

7 Kl. 3/4 einfache Körper aufbauen und zerlegen, Modelle, Netze Zeichnen auf Gitterpapier deckungsgleiche Figuren Parkette, Auslegen mit Einheitsflächen, Flächeninhalt achsensymmetrische Figuren 7

8 b. in der DDR Mathematikbeschluss 1962 Kl. 1: Grundbegriffe: Punkt, Gerade; Strecke; Dreieck, Rechteck, Quadrat; Würfel Kl. 2: Lagebeziehungen (zueinander parallel/senkrecht); Strahl, Winkel, Streifen; Vierecksarten (auch Parallelogramm und Trapez); Quader Kl. 3: Zylinder, Pyramide, Kegel Kl. 4: Verschiebung c. Ende der siebziger Jahre: Einfluss der Psychologie Erfahrungswelt u. vielfältige praktische Tätigkeiten einbeziehen 8

9 Bildungsstandards Geometrie seit 2004 Raum und Form sich im Raum orientieren über räumliches Vorstellungsvermögen verfügen räumliche Beziehungen erkennen, beschreiben und nutzen (Anordnungen, Wege, Pläne, Ansichten) zwei- und dreidimensionale Darstellungen von Bauwerken (z. B. Würfelgebäude) zueinander in Beziehung setzen (nach Vorlage bauen, zu Bauten Baupläne erzeugen, Kantenmodelle und Netze untersuchen) 9

10 geometrische Figuren erkennen, benennen und darstellen Körper und ebene Figuren nach Eigenschaften sortieren und Fachbegriffe zuordnen Körper und ebene Figuren in der Umwelt wiedererkennen Modelle von Körpern und ebenen Figuren herstellen und untersuchen (Bauen, Legen, Zerlegen, Zusammenfügen, Ausschneiden, Falten,...) Zeichnungen mit Hilfsmitteln sowie Freihandzeichnungen anfertigen 10

11 einfache geometrische Abbildungen erkennen, benennen und darstellen ebene Figuren in Gitternetzen abbilden (verkleinern und vergrößern) Eigenschaften der Achsensymmetrie erkennen, beschreiben und nutzen symmetrische Muster fortsetzen und selbst entwickeln 11

12 Flächen- und Rauminhalte vergleichen und messen Die Flächeninhalte ebener Figuren durch Zerlegen vergleichen und durch Auslegen mit Einheitsflächen messen Umfang und Flächeninhalt von ebenen Figuren untersuchen Rauminhalte vergleichen und durch die enthaltene Anzahl von Einheitswürfeln bestimmen 12

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14 2 Geometrische Grundbegriffe Punkte, Strecken, Geraden, Strahlen, Ebene, Winkel, 14

15 Punkte Strecken Das Bild zeigt: Die Strecke ist die kürzeste Verbindung von A und B. 15

16 Geraden Die Gerade g ist in beiden Richtungen über die Begrenzung des Zeichenblattes hinaus unbegrenzt zu denken. Geradenbüschel 16

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18 Lagebeziehungen: parallel und orthogonal 18

19 g 19

20 Strahlen Ein beliebiger Punkt S auf einer Geraden zerlegt diese in zwei Halbgeraden oder Strahlen. a: Strahl von S ausgehend durch A b: Strahl von S ausgehend durch B p: Strahl aus S durch P 20

21 Ebene Die Ebene E ist über die Begrenzung des Zeichenblattes hinaus nach allen Seiten unbegrenzt zu denken. In der Ebene E liegt die Gerade g und ein Punkt P außerhalb von g. 21

22 Winkel Die Ebene wird durch zwei von S ausgehende Strahlen in zwei Felder geteilt. Eine Figur, die aus den Punkten eines Strahlenpaares und eines von diesem erzeugten Feldes entsteht, wird als Winkel bezeichnet. Zwei von einem Punkt ausgehende Strahlen erzeugen in der Ebene zwei Winkel. 22

23 Um zu kennzeichnen, welchen der beiden Winkel man meint, markiert man diesen durch einen Bogen. Der gemeinsame Anfangspunkt S der Strahlen heißt Scheitel des Winkels, die Strahlen heißen Schenkel des Winkels. < (s, t) und < (t, s) Winkelschenkel werden entgegen dem Uhrzeigerdrehsinn aufgeführt. 23

24 Winkel können mit Hilfe ihrer Schenkel (p, q) bezeichnet werden mit Hilfe von Großbuchstaben, die auf den Schenkeln liegen oder mit kleinen griechischen Buchstaben. 24

25 3 Winkelarten 25

26 Winkelgrößen Winkelarten -spitzer Winkel -rechter Winkel -stumpfer Winkel -gestreckter Winkel -überstumpfer Winkel -Vollwinkel Jeder Winkel hat eine Größe. Um diese festzustellen, vergleicht man den gegebenen Winkel mit einem Einheitswinkel. Seit alters her teilt man den gestreckten Winkel in 180 gleiche Teile ein. Man nennt eine solches Einhundertachtzigstel des gestreckten Winkels ein Grad. 26

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28 Winkel an Geraden Scheitelwinkel; Nebenwinkel Stufenwinkel; Wechselwinkel 28

29 Winkel zwischen Geraden Schneiden sich zwei Geraden g 1 und g 2 in einem Punkt S, so werden vier Strahlen (s 1 bis s 4 ) erzeugt. Diese Strahlen bilden vier Winkel, die jeweils kleiner als 180 sind. 29

30 Scheitelwinkel Winkel zwischen Geraden, die sich gegenüberliegen, werden als Scheitelwinkel bezeichnet. Scheitelwinkel sind gleich groß (Scheitelwinkelsatz). 30

31 Nebenwinkel Winkel zwischen Geraden, die nebeneinander liegen, werden als Nebenwinkel bezeichnet. Nebenwinkel ergänzen sich zu einem gestreckten Winkel. Die Summe ihrer Winkelgrößen beträgt 180 (Nebenwinkelsatz). 31

32 Winkel an geschnittenen Geraden Werden zwei voneinander verschiedene Geraden g 1 und g 2 von einer Geraden h in den Punkten P 1 und P 2 geschnitten, so entstehen zweimal vier Winkel, bei P 1 und P 2 jeweils Scheitel- und Nebenwinkel. 32

33 Stufenwinkel an geschnittenen Geraden α 1 und α 2 ; β 1 und β 2 ; γ 1 und γ 2 ; δ 1 und δ 2 sind Stufenwinkel. Stufenwinkel liegen auf gleichen Seiten der schneidenden Geraden h und der geschnittenen Geraden g 1 und g 2. 33

34 Wechselwinkel an geschnittenen Geraden α 1 und γ 2 ; β 1 und δ 2 ; γ 1 und α 2 ; δ 1 und β 2 sind Wechselwinkel. Wechselwinkel liegen auf verschiedenen Seiten der schneidenden Geraden h und der geschnittenen Geraden g 1 und g 2. 34

35 Winkel an geschnittenen Parallelen Stufenwinkel an geschnittenen Parallelen sind gleich groß. Wechselwinkel an geschnittenen Parallelen sind gleich groß. 35

36 Winkel, die wie α1 und γ2 zueinander liegen, sind Wechselwinkel. Sie wechseln auf verschiedene Seiten der Parallelen und der schneidenden Geraden. Mit dem bisherigen Wissen kann man am Beispiel dieser beiden Winkel begründen, dass auch Wechselwinkel an geschnittenen Parallelen gleich groß sind. 36

37 entgegengesetzte Winkel an geschnittenen Parallelen liegen auf der gleichen Seite der schneidenden Gerade aber auf verschiedenen Seiten der Parallelen. Entgegengesetzte Winkel ergänzen sich zu

38 Übung Zeichnen Sie eine doppelte Geradenkreuzung mit parallelen Geraden, tragen Sie die Winkel ein und reproduzieren Sie für sich die Winkelarten und Winkelbeziehungen ohne auf die Vorlagen zu schauen. 38

39 5 Axiome der Geometrie 39

40 Einstein schreibt in Geometrie und Erfahrung: Insofern sich die Sätze der Mathematik auf die Wirklichkeit beziehen, sind sie nicht sicher, und insofern sie sicher sind, beziehen sie sich nicht auf die Wirklichkeit. Zuverlässigkeit und Zulässigkeit mathematischer Argumentationen wurde immer wieder angezweifelt. Dies führte zur Entwicklung von Axiomensystemen. 40

41 Zunächst erfolgte die Formalisierung (Axiomatisierung) der Geometrie durch Euklid. Euklids Axiomensystem versuchte auch Grundbegriffe zu erklären, z.b.: Ein Punkt ist, was keine Teile hat. Er hob außerdem das Parallelenpostulat ( Zu jeder Geraden g und jedem Punkt P existiert genau eine Parallele zu g durch P. ) von den anderen Axiomen ab, erklärte aber nicht, warum er dies tat. 41

42 Auszüge aus dem Axiomensystem von David Hilbert ( ) aus dem Jahre 1899 Undefinierte Grundbegriffe sind Punkt, Gerade und Inzidenz. Es sei P eine Menge, deren Elemente Punkte heißen, G eine Menge, deren Elemente Geraden heißen, I eine Relation zwischen P und G. 42

43 Inzidenzaxiome, z. B.: Jede Gerade inzidiert mit mindestens zwei Punkten. Je zwei Punkte inzidieren mit genau einer Geraden. Parallelenaxiom Zu jedem Punkt P und jeder Geraden g existiert genau eine Gerade h mit P h und g II h. 43

44 Anordnungsaxiome Für jede Gerade g ist in der Menge der Punkte, die mit g inzidieren, eine Relation < ( vor ) definiert, so dass gilt: P < P gilt für kein P g. Aus P, Q, R g und P < Q, Q < R folg P < R. Aus P, Q g und P Q folg P < Q oder Q < P. Für P, Q g mit P < Q existieren A, B, C g mit A < P < B < Q < C. Die Anordnungsaxiome besagen, dass < eine strenge lineare Ordnungsrelation in der Menge der Punkte von g ist. Die letzte Forderung erzwingt, dass jede Gerade unendlich viele Punkte enthält und damit P und G unendliche Mengen sind. Aufgrund der Anordnungsaxiome kann man den Begriff der Strecke PQ definieren (Menge der Punkte aus g zwischen P und Q) und den Begriff der Halbgeraden PQ + und der Begriff des Winkels (als Halbgeradenpaar). 44

45 Des weiteren kann man sich auf Teilungsaxiome, Bewegungsaxiome und Stetigkeitsaxiome berufen. Die Vollständigkeit des Axiomensystems bedeutet, dass man jede Aussage der ebenen euklidischen Geometrie aus ihm herleiten kann. Man könnte aber auch sagen, zur ebenen euklidischen Geometrie gehören genau die Sätze, die sich aus dem Axiomensystem herleiten lassen. 45

46 Begleitender Praxiskurs zu Grundbegriffen 46

47 Zusammenfassend 47

48 Studienaufgaben zur Vorbereitung auf die Übung 1 in der Woche vom Wiederholung der Grundbegriffe und Winkelarten Die Geraden g 1 und g 2 sowie h 1 und h 2 sind jeweils parallel. Es gilt β 1 = 120. Wie groß sind die anderen Winkel? Finden Sie verschiedene Möglichkeiten für die Bestimmung der Winkelgrößen. 48