袖の型紙

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三角関数のグラフ

ワイシャツなどの袖の型紙の中に、正弦曲線(サインカーブ)があることがわかることから、

身のまわりに三角関数があることを実感し、単元の有用性を感じるのがこの教材のねらい

である。

①袖の型紙


 ワイシャツの袖の型紙はどんな形になるだろうか?

 

この現実事象の問題を、次のようにモデル化して考える。


 図1のように、円柱を斜めに切って、ABで縦に切り左右に開くと、図2の(A)~(D)の

 どれになるだろうか?

 

 

 

 

 

 

あらかじめサインカーブの切り口で切った紙を丸めて円柱を作ったものを見せて、開いて

見せる前にイメージさせて考える。

結果は(D)であるが、実際に予想させると、現在の単元が三角関数だから(D)だろうという

読みをしなければ、予想は(B)と(C)が多い。

検証方法は、さきほど見せた円柱を作ったものを開くのが一番簡単だが、ワイシャツやTシャツ

などの袖を実際に切ったり、大根を桂むきにしたり、ソーセージに紙を巻いて切ったりしても

よい。大根の桂むきは中村氏(2000)が授業実践を行っている。

また、逆に実際に紙で作った(A)から(D)の紙を丸めて円柱を作り、どの円柱が切り口が平面に

なっているかを見せるのも効果的である。

このしくみは、ワイシャツの型紙の他にも、雨どいの斜めのつなぎ目などにも見られる。

②証明

図3のように、円柱の半径をr、軸上の点Oを通って、軸に垂直な

平面をα、Oを通って軸とθ0の角をなす平面をβとする。

平面βで円柱を切ったときの切り口の曲線上の任意の点をPとし、

Pから平面αへ下ろした垂線の足をQ、Qからαとβの交線 l へ

垂線QRを引くと、PR⊥l より、∠PRQ=θ0だから、

QP=RQtanθ0 となる。また、交線 l と円柱の交点をA,Bとし、

∠AOQ=θとおくと、RQ=rsinθ となる。

したがって、QP=(rsinθ)tanθ0=(rtanθ0)sinθ となる。

切り口の曲線を平面に開くと、x=弧AQ=rθ,y=QP=(rtanθ0)sinθ が点Pの座標と

考えることができるから、点Pの軌跡は、y=(rtanθ0)sin(1/r)x となる。

例えば、r=1, θ0=45°のときは、y=sinx である。

切る角度θ0は振幅だけに影響し、円柱の半径rは振幅と周期を変えることがわかる。

一般的な証明は難しいので、簡単にしたい場合は、r=1, θ0=45°の場合だけ扱うとよい。

(参考文献)
[1]何森仁,小沢健一,近藤年示,時永晃 共著(1995),「ソーセージを切ってサインカーブ」,
 『のびのび数学』,三省堂,pp.68-71.
[2]中村敏春(2000),「三角関数のグラフ指導」,
 「平成11年度高等学校数学研究会教育課程研究会全体発表会発表資料」.