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基础几何入门

  1. 01几何到底在说什么
  2. 02角的概念与测量
  3. 03三角形
  4. 04四边形大家族
  5. 05圆,不只是一个“很圆的圈”
  6. 06多边形与对称
  7. 07周长与面积计算
  8. 08圆的面积与扇形
  9. 09立体几何
  10. 10体积
  11. 11几何变换,图形不是只能站着
  12. 12几何综合题
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课程数学基础几何入门角的概念与测量

角的概念与测量

上一章里,我们把点、直线、线段和射线分清了,也第一次碰到了公理:有些话看起来再自然,也要先明确写成推理的起点。这一章正好接着往前走。我们会让两条射线从同一个点出发,看它们怎样组成角;再把“张开了多少”变成可以计算的数。

角看起来简单,真正容易混淆的地方却不少。边画得更长,角会不会变大?量角器上为什么有两圈数字?对顶角看着相等,为什么还要证明?两条直线看着平行,凭什么能下结论?这些问题其实都指向同一件事:图只能帮我们观察,定义、公理和推理才负责保证结论。


同一个角的两种看法

先拿两支激光笔想一想。两束光从同一个位置射出去,一束朝右,一束朝右上方。我们把每一束光想成一条射线,它们共同的出发点记作 OOO,射线上再各取一点 AAA、BBB。射线 OAOAOA 和射线 OBOBOB 合在一起,就组成了一个角。

从同一个端点出发的两条射线组成一个角。共同端点叫角的顶点,两条射线叫角的边。

这是一种“静止的”看法:角是一个由两条射线组成的几何图形。

还有一种“动起来”的看法。先让射线 OAOAOA 固定,再把另一条射线从 OAOAOA 的方向绕顶点 OOO 转到 OBOBOB 的方向。它转过的量,就是角的大小。此时 OAOAOA 叫始边,OBOBOB 叫终边。

角由同一顶点出发的始边和终边组成,中文标出顶点、始边、终边和内部弧线

这两种看法并不打架。第一种告诉我们“角由什么组成”,第二种告诉我们“角的大小究竟在量什么”。

现在就能回答一个常见问题:把两条边画长一些,角会变大吗?不会。边画多长只是纸上的示意,射线的方向没有变,旋转量就没有变。角的大小取决于两边的方向差,不取决于边长,也不取决于弧线画得有多粗。

下面的实验把终边转起来。先试试 30°30°30°、135°135°135° 和 240°240°240°,尤其留意终边相同时,选取的旋转方向和旋转范围会怎样影响角的大小。

方向为什么要说清楚

两条射线会把顶点周围分成两块。比如从 OAOAOA 逆时针转到 OBOBOB 是 50°50°50°,沿另一边绕过去就是 310°310°310°。两者的始边、终边一样,走的方向和范围却不同。

在初等平面几何里,如果图上没有旋转箭头,也没有特别标出大于 180°180°180° 的那一侧,我们通常说的是不超过 180°180°180° 的那个角。因此,普通语境下 ∠AOB\angle AOB∠AOB 与 ∠BOA\angle BOA∠BOA 表示同一个较小的角。

一旦题目谈“从哪条边转到哪条边”,次序就不能随便换。逆时针从 OAOAOA 转到 OBOBOB 与逆时针从 OBOBOB 转到 OAOAOA,一般不是同一个旋转量。最稳妥的习惯是先问三件事:始边是谁,终边是谁,按哪一方向转。


角怎样命名才不会认错

角最常见的名字由三个大写字母组成,例如:

∠AOB\angle AOB∠AOB

中间的 OOO 是顶点,两旁的 AAA、BBB 分别在角的两边上。顶点字母必须放在中间。 所以 ∠AOB\angle AOB∠AOB 的顶点是 OOO,而 ∠OAB\angle OAB∠OAB 的顶点是 AAA,它们不是同一个角。

如果一个顶点周围只有一个角,不会产生歧义,也可以只写顶点字母,例如 ∠O\angle O∠O。可是一旦点 OOO 周围有三条或更多射线,∠O\angle O∠O 就说不清指哪一个,必须改用三个字母,或者使用图中标出的数字,如 ∠1\angle 1∠1。

我们还要把“角”和“角的度数”分开:

  • ∠AOB\angle AOB∠AOB 指那个几何图形;
  • m∠AOBm\angle AOBm∠AOB 指这个角的度数;
  • 若 m∠AOB=50°m\angle AOB=50°m∠AOB=50°,就是在说这个角量得 50°50°50°。

这和“线段”与“线段长度”的区别很像。图形本身可以全等,数值则用等号比较。后面为了让式子读起来简洁,我们会直接写 m∠AOB=50°m\angle AOB=50°m∠AOB=50°。

一个命名检查

假设射线 OAOAOA 水平向右,射线 OBOBOB 斜向右上,射线 OCOCOC 竖直向上。那么:

  • 小角 ∠AOB\angle AOB∠AOB 的两边是 OAOAOA、OBOBOB;
  • 小角 ∠BOC\angle BOC∠BOC 的两边是 OBOBOB、OCOCOC;
  • 大一些的 ∠AOC\angle AOC∠AOC 包含前面两个小角;
  • 只写 ∠O\angle O∠O 会有歧义,因为顶点 OOO 周围不止一个角。

读三个字母的角名时,先圈出中间字母,再找从顶点出发的两条射线。不要把三个字母当成沿图形随便走的一条路线。


度、分、秒怎样把旋转变成数

长度要先选单位,角度也一样。我们约定把一整圈平均分成 360360360 份,其中一份就是 1°1°1°。这是一种沿用已久、使用方便的单位约定,不是从某个几何定理推出来的。

360360360 的因数很多。半圈可以直接分成 180180180 份,四分之一圈是 909090 份,三分之一圈是 120120120 份,六分之一圈是 606060 份。许多常见的等分都能得到整数,这正是它好用的地方。

于是几个关键角度自然出现了:

周角=360°,平角=180°,直角=90°.\text{周角}=360°,\qquad \text{平角}=180°,\qquad \text{直角}=90°.周角=360°,平角=180°,直角=90°.

平角为什么是 180°180°180°?因为终边从始边转半圈,正好指向相反方向。直角为什么是 90°90°90°?因为它转了整圈的四分之一,也是平角的一半。

角度还可以继续细分。1°1°1° 分成 606060 份,每份叫 111 分;111 分再分成 606060 份,每份叫 111 秒:

1°=60′,1′=60′′.1°=60^{\prime},\qquad 1^{\prime}=60^{\prime\prime}.1°=60′,1′=60′′.

这里的“分、秒”是角度单位,不是时间。它们都使用六十进制:大单位变小单位乘 606060,小单位变大单位除以 606060。

例如:

18.5°=18°30′18.5°=18°30^{\prime}18.5°=18°30′

因为 0.5×60=300.5\times 60=300.5×60=30。再如:

27°18′=27+1860=27.3°.27°18^{\prime}=27+\frac{18}{60}=27.3°.27°18′=27+6018​=27.3°.

分秒计算也会“进位”和“借位”

计算 28°47′35′′+16°28′50′′28°47^{\prime}35^{\prime\prime}+16°28^{\prime}50^{\prime\prime}28°47′35′′+16°28′50′′ 时,先从秒加起:

35′′+50′′=85′′=1′25′′.35^{\prime\prime}+50^{\prime\prime}=85^{\prime\prime}=1^{\prime}25^{\prime\prime}.35′′+50′′=85′′=1′25′′.

这个 1′1^{\prime}1′ 要进到分的位置:

47′+28′+1′=76′=1°16′.47^{\prime}+28^{\prime}+1^{\prime}=76^{\prime}=1°16^{\prime}.47′+28′+1′=76′=1°16′.

最后再把 1°1°1° 进到度的位置,所以:

28°47′35′′+16°28′50′′=45°16′25′′.28°47^{\prime}35^{\prime\prime}+16°28^{\prime}50^{\prime\prime} =45°16^{\prime}25^{\prime\prime}.28°47′35′′+16°28′50′′=45°16′25′′.

做减法时也一样。求 37°53′49′′37°53^{\prime}49^{\prime\prime}37°53′49′′ 的余角,要算 90°−37°53′49′′90°-37°53^{\prime}49^{\prime\prime}90°−37°53′49′′。可以把 90°00′00′′90°00^{\prime}00^{\prime\prime}90°00′00′′ 借位写成 89°59′60′′89°59^{\prime}60^{\prime\prime}89°59′60′′,于是结果为:

52°06′11′′.52°06^{\prime}11^{\prime\prime}.52°06′11′′.

量角器为什么有内外两圈

半圆量角器只能覆盖半圈,所以它通常标出从 0°0°0° 到 180°180°180°。麻烦在于,角的基准边可能朝右,也可能朝左。为了让两种放法都能从 0°0°0° 开始读,量角器就在同一条刻度线上印了两圈数:

  • 一圈从右边的 0°0°0° 往左增加;
  • 另一圈从左边的 0°0°0° 往右增加。

所以两圈不是两个答案。它们是在替两个不同方向的基准边服务。

标准读法

先把量角器的中心点压在角的顶点上。中心错开,所有刻度都会跟着偏。

再把角的一条边与量角器的水平基线重合。看看这条边指向左端还是右端,并找到那一端的 0°0°0°。

从刚找到的 0°0°0° 所在那一圈开始读,沿角的内部走到另一条边。另一条边穿过的数字就是角度。

最后用角的类型做一次估计检查。图上明显是锐角却读出 130°130°130°,通常说明读了另一圈;明显是钝角却读出 50°50°50°,也要回头检查。

下面这个互动把同一条刻度线上的两个数同时显示出来。切到“误读另一圈”,观察错误答案为什么恰好与正确答案相加得到 180°180°180°。

量角器还有一种不必把某条边对准 0°0°0° 的读法。如果两条边分别穿过同一圈的 a°a°a° 和 b°b°b°,普通角的度数就是:

∣a−b∣.|a-b|.∣a−b∣.

例如两条边分别指向 18°18°18° 和 143°143°143°,角度是:

∣143°−18°∣=125°.|143°-18°|=125°.∣143°−18°∣=125°.

这也解释了量角器在做什么:它先给每个方向分配一个读数,再用两个方向读数的差表示旋转量。

普通半圆量角器直接量到的是 0°0°0° 到 180°180°180° 的角。若图中特别标出大于 180°180°180° 的优角,可以先量出另一侧的小角,再用 360°360°360° 减去它。


角的分类先抓住三个锚点

分类不需要靠“看起来尖不尖”。把度数与 90°90°90°、180°180°180°、360°360°360° 比较,结论最可靠。

名称度数条件直观理解
零角α=0°\alpha=0°α=0°还没有转,始边与终边重合
锐角0°<α<90°0°<\alpha<90°0°<α<90°比直角小
直角α=90°\alpha=90°α=90°四分之一圈
钝角90°<α<180°90°<\alpha<180°90°<α<180°比直角大、比平角小
平角α=180°\alpha=180°α=180°半圈,两边方向相反
优角180°<α<360°180°<\alpha<360°180°<α<360°超过半圈但没有转满
周角α=360°\alpha=360°α=360°转一整圈回到原方向

零角不是锐角,因为锐角的范围不包含 0°0°0°。同样,直角和钝角都不包含边界以外的数;90°90°90° 只能叫直角,180°180°180° 只能叫平角。

平角与直线画出来都像一条直线,但它们不是同一个概念。平角有指定的顶点和两条方向相反的射线,度数是 180°180°180°;直线则向两个方向无限延伸,没有规定哪一点是角的顶点。

两条直线相交成直角时,我们说它们互相垂直,记作 l⊥ml\perp ml⊥m。只要其中一个角是 90°90°90°,邻角与它组成平角,也是 90°90°90°;对面的角稍后会由对顶角定理得到 90°90°90°。所以四个角全是直角。


大角可以拆成小角

假设射线 OCOCOC 位于 ∠AOB\angle AOB∠AOB 的内部。沿角的内部从 OAOAOA 转到 OBOBOB,会先经过 OCOCOC,那么整个旋转量正好是两段旋转量之和:

m∠AOB=m∠AOC+m∠COB.m\angle AOB=m\angle AOC+m\angle COB.m∠AOB=m∠AOC+m∠COB.

这叫角加法。它看起来像普通加法,但“OCOCOC 在角的内部”是不能漏掉的条件。如果 OCOCOC 在另一侧,直接相加就可能算到错误的旋转路径上。

例如:

m∠AOC=37°,m∠COB=58°,m\angle AOC=37°,\qquad m\angle COB=58°,m∠AOC=37°,m∠COB=58°,

那么:

m∠AOB=37°+58°=95°.m\angle AOB=37°+58°=95°.m∠AOB=37°+58°=95°.

反过来,已知整体和其中一部分,就用减法:

m∠COB=m∠AOB−m∠AOC.m\angle COB=m\angle AOB-m\angle AOC.m∠COB=m∠AOB−m∠AOC.

角平分线给出的是“相等”

若射线 OCOCOC 把 ∠AOB\angle AOB∠AOB 分成两个度数相等的角,那么 OCOCOC 是 ∠AOB\angle AOB∠AOB 的角平分线。定义立刻给出:

m∠AOC=m∠COB.m\angle AOC=m\angle COB.m∠AOC=m∠COB.

再配合角加法:

m∠AOB=m∠AOC+m∠COB,m\angle AOB=m\angle AOC+m\angle COB,m∠AOB=m∠AOC+m∠COB,

就能得到:

m∠AOC=m∠COB=12m∠AOB.m\angle AOC=m\angle COB=\frac{1}{2}m\angle AOB.m∠AOC=m∠COB=21​m∠AOB.

“平分线”在这里是一条从顶点出发的射线,不是随手画的一小段线。图上两边看着差不多,也不能自动认定它是角平分线;题目必须明确给出“平分”,或者给出足以证明两边角相等的条件。

下面的互动把角平分线、余角和补角放在一起。它们经常出现在同一张图里,但逻辑完全不同:平分线说明两个角相等,余角和补角说明两个角的和等于固定值。


余角、补角与邻补角

两个角的度数和为 90°90°90°,它们互为余角:

α+β=90°.\alpha+\beta=90°.α+β=90°.

两个角的度数和为 180°180°180°,它们互为补角:

α+β=180°.\alpha+\beta=180°.α+β=180°.

互余、互补说的是度数关系,不要求两个角相邻,也不要求它们出现在同一张图里。35°35°35° 和 55°55°55° 就互余;35°35°35° 和 145°145°145° 就互补。

若两个角共用顶点和一条边,而且内部不重叠,它们叫邻角。若一对邻角的另外两条边方向相反,连成一条直线,那么这对角叫邻补角,也常叫线性角对。

邻补角一定互补。理由就在图形结构里:它们相邻,所以可以用角加法;两条外侧边方向相反,所以两角合起来是一个平角:

α+β=180°.\alpha+\beta=180°.α+β=180°.

注意正反方向的差别:

  • 已知两个角是邻补角,可以推出它们的和为 180°180°180°;
  • 已知两个角相邻且和为 180°180°180°,也可以推出它们的外侧边方向相反;
  • 只知道两个角和为 180°180°180°,却不知道它们相邻,就不能说它们是邻补角。

同角的余角或补角为什么相等

假设 ∠A\angle A∠A 与 ∠B\angle B∠B 都是 ∠C\angle C∠C 的余角。那么:

m∠A+m∠C=90°,m\angle A+m\angle C=90°,m∠A+m∠C=90°, m∠B+m∠C=90°.m\angle B+m\angle C=90°.m∠B+m∠C=90°.

两式右边相同,所以:

m∠A+m∠C=m∠B+m∠C.m\angle A+m\angle C=m\angle B+m\angle C.m∠A+m∠C=m∠B+m∠C.

等式两边减去同一个 m∠Cm\angle Cm∠C,便得到:

m∠A=m∠B.m\angle A=m\angle B.m∠A=m∠B.

这就是“同角的余角相等”。把上面的 90°90°90° 换成 180°180°180°,同样能证明“同角的补角相等”。如果被余、被补的是两个相等的角,结论也成立。


对顶角相等不是量出来的

两条直线 ABABAB、CDCDCD 相交于点 OOO,会产生四个角。∠AOC\angle AOC∠AOC 与 ∠BOD\angle BOD∠BOD 隔着交点相对,彼此不相邻,它们叫一对对顶角;∠AOD\angle AOD∠AOD 与 ∠BOC\angle BOC∠BOC 是另一对。

拿量角器去量,确实会发现对顶角相等。可这只能说明你画的这一张图,在测量误差范围内差不多相等。我们要的是更强的结论:无论两条直线怎样相交,只要它们真的是两条直线,对顶角都必定相等。

证明从邻补角开始。我们证明 ∠AOC\angle AOC∠AOC 与 ∠BOD\angle BOD∠BOD 相等。

因为射线 OAOAOA 与 OBOBOB 方向相反,∠AOC\angle AOC∠AOC 和 ∠COB\angle COB∠COB 是邻补角,所以:

m∠AOC+m∠COB=180°.m\angle AOC+m\angle COB=180°.m∠AOC+m∠COB=180°.

因为射线 OCOCOC 与 ODODOD 方向相反,∠BOD\angle BOD∠BOD 和 ∠COB\angle COB∠COB 也是邻补角,所以:

m∠BOD+m∠COB=180°.m\angle BOD+m\angle COB=180°.m∠BOD+m∠COB=180°.

两个等式都等于 180°180°180°,于是:

m∠AOC+m∠COB=m∠BOD+m∠COB.m\angle AOC+m\angle COB =m\angle BOD+m\angle COB.m∠AOC+m∠COB=m∠BOD+m∠COB.

等式两边同时减去共同的 m∠COBm\angle COBm∠COB,得到:

m∠AOC=m∠BOD.m\angle AOC=m\angle BOD.m∠AOC=m∠BOD.

因此 ∠AOC\angle AOC∠AOC 与 ∠BOD\angle BOD∠BOD 相等。另一对对顶角可以用完全相同的步骤证明。

这条证明的骨架很值得记:两个对顶角分别与同一个角组成平角;总和相同,共同的那个角也相同;减去共同部分,剩下的就相等。

“对顶角相等”的逆命题不成立。两个角相等,不代表它们一定是对顶角。比如正方形的四个角都相等,却没有哪两个因此变成对顶角。逆命题能不能用,必须单独判断。


量出来像真的,为什么还要证明

第一次学证明时,很多人会觉得别扭:图上明明一眼就看出来,为什么要多写四行?问题在于,图只是某一个例子,而且绘图和测量都有误差。

你画两条“平行线”,它们可能只是纸面范围内没有相交,延长以后其实会碰上。你量出两个角都是 60°60°60°,也可能一个是 59.7°59.7°59.7°,另一个是 60.3°60.3°60.3°,只是量角器看不出差别。测量能帮我们猜结论、检查计算,却不能替所有可能的图形作保证。

几何证明通常靠四类东西搭起链条:

  • 定义规定词语是什么意思,例如“互补”就是两角和为 180°180°180°;
  • 公理或公设是共同接受的起点,例如角加法、过直线外一点有且只有一条平行线;
  • 已知条件只对当前题目有效,例如 l∥ml\parallel ml∥m;
  • 已经证明的定理可以继续使用,例如对顶角相等。

证明不是把“显然”写得更长,而是让每一步都能回答“凭什么”。公理为什么不用证明?因为推理总得有起点。如果每句话都必须靠更早的话证明,就会一直追问下去,没有第一块地基。公理就是大家先约定的地基,定理则是从地基上一层层搭出来的结果。

以后做题时,可以把“看图得到的感觉”先写在草稿上,再问一句:题目给了这个条件吗?定义能推出吗?有定理保证吗?如果三者都没有,就不能把感觉写进证明。


平行线被截线切出八个角

同一平面内两条永不相交的直线叫平行线,记作 l∥ml\parallel ml∥m。另一条直线 ttt 先后与 lll、mmm 相交,ttt 就叫这两条直线的截线。两个交点一共产生八个角。

这里也有一块不能省略的“地基”:过直线外一点,有且只有一条直线与已知直线平行。它叫平行公设。“有”保证我们确实能作出那条平行线,“只有一条”保证不会从同一点作出两个不同方向却都平行的答案。下一章作三角形的辅助线时,我们会直接用到它。

要从这条公设完整推出所有平行线角关系,还需要一组作图和全等证明;而我们要到下一章才正式建立三角形全等。为了不把尚未建立的工具偷偷塞进证明,本课程在这里把下面两句与平行公设一起列为本模块的基本结果:

  • 两条平行线被同一条截线所截,同位角相等;
  • 两条直线被同一条截线所截,若一对同位角相等,则这两条直线平行。

后面的内错角、外错角和同旁内角关系,都会从这两句基本结果与对顶角、邻补角一步步推出,不靠图形外观。

为了不靠模糊的“左边那个角”说话,我们固定一套编号。让 lll、mmm 水平且 lll 在上方,截线 ttt 从左上斜向右下。上方交点叫 PPP,下方交点叫 QQQ:

  • 在 PPP 处,左上、右上、右下、左下依次记为 ∠1\angle1∠1、∠2\angle2∠2、∠3\angle3∠3、∠4\angle4∠4;
  • 在 QQQ 处,左上、右上、右下、左下依次记为 ∠5\angle5∠5、∠6\angle6∠6、∠7\angle7∠7、∠8\angle8∠8。

两条平行线被截线所截的八角编号图,中文标出同位角、内错角和同旁内角示例

这里“内部”指两条直线 lll、mmm 之间的带状区域,“外部”指带状区域以外。先判断内外,再判断在截线同侧还是异侧,比硬背字形可靠。

四类常见位置关系

同位角位于两个交点的相同相对位置,像把上交点的角原样平移到下交点。四对同位角是:

(1,5),(2,6),(3,7),(4,8).(1,5),\quad(2,6),\quad(3,7),\quad(4,8).(1,5),(2,6),(3,7),(4,8).

内错角都在两条直线内部,并且位于截线两侧。两对内错角是:

(4,6),(3,5).(4,6),\quad(3,5).(4,6),(3,5).

同旁内角也都在内部,但位于截线同一侧。两对同旁内角是:

(4,5),(3,6).(4,5),\quad(3,6).(4,5),(3,6).

外错角都在外部,并且位于截线两侧。两对外错角是:

(1,7),(2,8).(1,7),\quad(2,8).(1,7),(2,8).

先别急着说这些角相等。上面的名称只描述“它们站在哪里”。只有再加上 l∥ml\parallel ml∥m,才会出现下面的度数关系:

同位角相等,内错角相等,外错角相等,同旁内角互补.\begin{aligned} &\text{同位角相等},\\ &\text{内错角相等},\\ &\text{外错角相等},\\ &\text{同旁内角互补}. \end{aligned}​同位角相等,内错角相等,外错角相等,同旁内角互补.​

内错角相等怎样从已有结论推出

已知 l∥ml\parallel ml∥m,证明 ∠4=∠6\angle4=\angle6∠4=∠6。

∠4\angle4∠4 与 ∠8\angle8∠8 是同位角。平行线被截线所截,同位角相等,所以:

m∠4=m∠8.m\angle4=m\angle8.m∠4=m∠8.

在交点 QQQ,∠8\angle8∠8 与 ∠6\angle6∠6 是对顶角,所以:

m∠8=m∠6.m\angle8=m\angle6.m∠8=m∠6.

两个等式首尾接起来,得到:

m∠4=m∠6.m\angle4=m\angle6.m∠4=m∠6.

因此这对内错角相等。

同旁内角互补也能从同位角和邻补角得到。∠4=∠8\angle4=\angle8∠4=∠8,而 ∠8\angle8∠8 与 ∠5\angle5∠5 是邻补角,所以:

m∠4+m∠5=180°.m\angle4+m\angle5=180°.m∠4+m∠5=180°.

这条关系会在下一章证明三角形内角和时出现。过三角形一个顶点作对边的平行线,目的就是借助内错角或同位角,把另外两个内角“搬”到这个顶点附近,再拼成一个平角。


正向求角,逆向判平行

关于平行线的题,最容易犯的错是把推理方向弄反。我们把两条路线分开看。

正向:先有平行,再得到角关系

已知 l∥ml\parallel ml∥m,截线 ttt 与它们相交。此时可以用:

  • 同位角相等;
  • 内错角相等;
  • 外错角相等;
  • 同旁内角的和为 180°180°180°。

例如已知 m∠4=118°m\angle4=118°m∠4=118°,就有:

m∠6=118°m\angle6=118°m∠6=118°

因为 ∠4\angle4∠4 与 ∠6\angle6∠6 是内错角;同时:

m∠5=180°−118°=62°m\angle5=180°-118°=62°m∠5=180°−118°=62°

因为 ∠4\angle4∠4 与 ∠5\angle5∠5 是同旁内角。

逆向:先有角关系,再证明两线平行

反过来,两条直线先不假定平行。如果截线产生的角满足下面任意一个条件,就能证明两条直线平行:

  • 一对同位角相等;
  • 一对内错角相等;
  • 一对外错角相等;
  • 一对同旁内角互补。

为什么内错角相等能推出平行?仍用前面的编号。若已知 ∠4=∠6\angle4=\angle6∠4=∠6,而 ∠6=∠8\angle6=\angle8∠6=∠8 是对顶角关系,那么 ∠4=∠8\angle4=\angle8∠4=∠8。这时一对同位角相等,于是可以判定 l∥ml\parallel ml∥m。

为什么同旁内角互补也能推出平行?若已知:

m∠4+m∠5=180°,m\angle4+m\angle5=180°,m∠4+m∠5=180°,

而 ∠8\angle8∠8 与 ∠5\angle5∠5 本来就是邻补角,所以:

m∠8+m∠5=180°.m\angle8+m\angle5=180°.m∠8+m∠5=180°.

两个角都与 ∠5\angle5∠5 互补,因此 ∠4=∠8\angle4=\angle8∠4=∠8。它们是同位角,同位角相等便能推出 l∥ml\parallel ml∥m。

“看起来平行”不是条件,“同位角”这个位置名称本身也不保证相等。求角时要先确认题目给了平行;判平行时要先证明某一对角相等或互补。


例题:把定义和理由写进步骤里

角的命名与旋转方向

射线 OAOAOA 水平向右,射线 OBOBOB 位于其逆时针方向 42°42°42° 处。回答:普通几何语境下这个角怎样命名?若从 OBOBOB 逆时针转回 OAOAOA,旋转量是多少?

顶点是 OOO,所以三个字母命名时 OOO 放中间。这个角可写作 ∠AOB\angle AOB∠AOB,也可写作 ∠BOA\angle BOA∠BOA。

普通语境下,两种写法都指两条射线之间的较小角,度数是 42°42°42°。

题目第二问指定“从 OBOBOB 逆时针转回 OAOAOA”。这次走的是整圈剩余部分,所以:

360°−42°=318°.360°-42°=318°.360°−42°=318°.

旋转量是 318°318°318°。

不从零刻度开始量角

量角器同一圈上,两条边分别经过 27°27°27° 与 146°146°146°。求角的度数并分类。

两条边都在同一圈读数,可以取两数之差:

∣146°−27°∣=119°.|146°-27°|=119°.∣146°−27°∣=119°.

119°119°119° 大于 90°90°90° 且小于 180°180°180°,所以这个角是钝角。

图形若确实张得比直角大,分类与计算互相吻合;若图上明显是锐角,就要检查是否把两条边读到了不同圈。

角加法与角平分线合在一起

射线 OCOCOC 在 ∠AOB\angle AOB∠AOB 内部,ODODOD 平分 ∠COB\angle COB∠COB。已知 m∠AOC=34°m\angle AOC=34°m∠AOC=34°,m∠AOB=110°m\angle AOB=110°m∠AOB=110°,求 m∠CODm\angle CODm∠COD。

因为 OCOCOC 在 ∠AOB\angle AOB∠AOB 内部,先用角加法:

m∠AOC+m∠COB=m∠AOB.m\angle AOC+m\angle COB=m\angle AOB.m∠AOC+m∠COB=m∠AOB.

代入已知数:

34°+m∠COB=110°,34°+m\angle COB=110°,34°+m∠COB=110°,

所以 m∠COB=76°m\angle COB=76°m∠COB=76°。

ODODOD 平分 ∠COB\angle COB∠COB,因此两半相等:

m∠COD=76°2=38°.m\angle COD=\frac{76°}{2}=38°.m∠COD=276°​=38°.

互补关系中的方程

两个角互补,其中较大的角比较小角的 222 倍多 15°15°15°。求这两个角。

设较小角为 x°x°x°,较大角就是 (2x+15)°(2x+15)°(2x+15)°。

互补说明和为 180°180°180°:

x+(2x+15)=180.x+(2x+15)=180.x+(2x+15)=180.

解方程:

3x=165,x=55.3x=165,\qquad x=55.3x=165,x=55.

较大角是 2×55°+15°=125°2\times55°+15°=125°2×55°+15°=125°。检查:55°+125°=180°55°+125°=180°55°+125°=180°,条件满足。

从平行求出八个角

沿用前面的八角编号。已知 l∥ml\parallel ml∥m,m∠2=67°m\angle2=67°m∠2=67°。求其余七个角。

在交点 PPP,∠2\angle2∠2 与 ∠4\angle4∠4 是对顶角,所以 m∠4=67°m\angle4=67°m∠4=67°。

∠1\angle1∠1 与 ∠2\angle2∠2 是邻补角,所以:

m∠1=180°−67°=113°.m\angle1=180°-67°=113°.m∠1=180°−67°=113°.

∠3\angle3∠3 与 ∠1\angle1∠1 是对顶角,所以 m∠3=113°m\angle3=113°m∠3=113°。

平行线被截线所截,同位角相等,因此:

m∠5=113°,m∠6=67°,m∠7=113°,m∠8=67°.m\angle5=113°,\quad m\angle6=67°,\quad m\angle7=113°,\quad m\angle8=67°.m∠5=113°,m∠6=67°,m∠7=113°,m∠8=67°.

检查每个交点:相邻两角一锐一钝,和为 180°180°180°;对顶角相等。所有关系一致。

用角关系证明两条直线平行

两条直线 lll、mmm 被截线 ttt 所截。沿用前面的编号,已知 m∠4=3x+12°m\angle4=3x+12°m∠4=3x+12°,m∠5=5x−8°m\angle5=5x-8°m∠5=5x−8°,且 x=22x=22x=22。证明 l∥ml\parallel ml∥m。

先求两个角:

m∠4=3×22°+12°=78°,m\angle4=3\times22°+12°=78°,m∠4=3×22°+12°=78°,m∠5=5×22°−8°=102°.m\angle5=5\times22°-8°=102°.m∠5=5×22°−8°=102°.

∠4\angle4∠4 与 ∠5\angle5∠5 位于两直线内部、截线同侧,是一对同旁内角。

两角之和为:

78°+102°=180°.78°+102°=180°.78°+102°=180°.

一对同旁内角互补,可以用逆向判定两条直线平行,因此 l∥ml\parallel ml∥m。


练习题

基础辨认

练习一:点 BBB 是角的顶点,点 AAA、CCC 分别在两边上。写出这个角的两种三字母名称。为什么不能写成 ∠BAC\angle BAC∠BAC?

可以写成 ∠ABC\angle ABC∠ABC 或 ∠CBA\angle CBA∠CBA,因为顶点 BBB 都在中间。∠BAC\angle BAC∠BAC 的中间字母是 AAA,表示顶点在 AAA 的角,所以不能表示题目中的角。

练习二:把 43°18′36′′43°18^{\prime}36^{\prime\prime}43°18′36′′ 化成小数度数。

先把分和秒都换成度:

43°18′36′′=43+1860+363600=43.31°.43°18^{\prime}36^{\prime\prime} =43+\frac{18}{60}+\frac{36}{3600} =43.31°.43°18′36′′=43+6018​+360036​=43.31°.

练习三:把 12.725°12.725°12.725° 化成度、分、秒。

整数部分是 12°12°12°。小数部分乘 606060:

0.725×60=43.5,0.725\times60=43.5,0.725×60=43.5,

所以得到 43′43^{\prime}43′,还剩 0.5′0.5^{\prime}0.5′。再乘 606060:

0.5×60=30.0.5\times60=30.0.5×60=30.

因此:

12.725°=12°43′30′′.12.725°=12°43^{\prime}30^{\prime\prime}.12.725°=12°43′30′′.

练习四:量角器的一条边对着右端 0°0°0°,另一条边所在刻度线上标有 64°64°64° 和 116°116°116°。应读哪一个数?这个角是什么角?

基准边对着右端 0°0°0°,就从右端为 0°0°0° 的那一圈读,得到 64°64°64°。64°64°64° 在 0°0°0° 与 90°90°90° 之间,所以是锐角。另一个数 116°116°116° 是从左端 0°0°0° 开始读的结果。

计算与证明

练习五:射线 ODODOD 在 ∠AOB\angle AOB∠AOB 内部。已知 m∠AOD=48°m\angle AOD=48°m∠AOD=48°,m∠DOB=2m∠AOD−7°m\angle DOB=2m\angle AOD-7°m∠DOB=2m∠AOD−7°,求 m∠AOBm\angle AOBm∠AOB。

先求:

m∠DOB=2×48°−7°=89°.m\angle DOB=2\times48°-7°=89°.m∠DOB=2×48°−7°=89°.

由角加法:

m∠AOB=48°+89°=137°.m\angle AOB=48°+89°=137°.m∠AOB=48°+89°=137°.

所以 ∠AOB\angle AOB∠AOB 是钝角。

练习六:OCOCOC 是 ∠AOB\angle AOB∠AOB 的角平分线,ODODOD 在 ∠COB\angle COB∠COB 内部。已知 m∠AOB=124°m\angle AOB=124°m∠AOB=124°,m∠COD=19°m\angle COD=19°m∠COD=19°,求 m∠DOBm\angle DOBm∠DOB。

角平分线把 124°124°124° 分成相等两半:

m∠COB=124°2=62°.m\angle COB=\frac{124°}{2}=62°.m∠COB=2124°​=62°.

又因为 ODODOD 在 ∠COB\angle COB∠COB 内部:

m∠COD+m∠DOB=m∠COB.m\angle COD+m\angle DOB=m\angle COB.m∠COD+m∠DOB=m∠COB.

所以:

m∠DOB=62°−19°=43°.m\angle DOB=62°-19°=43°.m∠DOB=62°−19°=43°.

练习七:一个角的补角比它的余角大多少度?说明理由,不要只举一个数值例子。

设这个角为 x°x°x°。它的余角是 (90−x)°(90-x)°(90−x)°,补角是 (180−x)°(180-x)°(180−x)°。两者之差为:

(180−x)−(90−x)=90.(180-x)-(90-x)=90.(180−x)−(90−x)=90.

所以只要这个角存在余角,它的补角总比余角大 90°90°90°。

练习八:两条直线相交,其中一个角是 128°128°128°。求另外三个角,并写出每一步理由。

与它相对的角是对顶角,所以也是 128°128°128°。与它相邻的两个角分别和它组成邻补角,因此每个都是:

180°−128°=52°.180°-128°=52°.180°−128°=52°.

所以四个角依次出现 128°128°128°、52°52°52°、128°128°128°、52°52°52°。使用了“对顶角相等”和“邻补角互补”。

平行线与截线

练习九:沿用本章的八角编号。已知 l∥ml\parallel ml∥m 且 m∠3=41°m\angle3=41°m∠3=41°,求 m∠5m\angle5m∠5、m∠6m\angle6m∠6 和 m∠8m\angle8m∠8。

∠3\angle3∠3 与 ∠5\angle5∠5 是内错角,平行线条件下相等,所以:

m∠5=41°.m\angle5=41°.m∠5=41°.

∠5\angle5∠5 与 ∠6\angle6∠6 是邻补角,所以:

m∠6=180°−41°=139°.m\angle6=180°-41°=139°.m∠6=180°−41°=139°.

∠6\angle6∠6 与 ∠8\angle8∠8 是对顶角,所以:

m∠8=139°.m\angle8=139°.m∠8=139°.

练习十:两条直线 lll、mmm 被截线 ttt 所截。沿用本章编号,已知 m∠3=74°m\angle3=74°m∠3=74°,m∠5=74°m\angle5=74°m∠5=74°。能否证明 l∥ml\parallel ml∥m?

能。∠3\angle3∠3 与 ∠5\angle5∠5 位于两直线内部,并在截线两侧,是一对内错角。题目给出它们相等,根据内错角相等的逆向判定,可以推出:

l∥m.l\parallel m.l∥m.

这里不能说“因为两条线看起来平行”,真正的依据是内错角相等。

练习十一:判断正误:“只要两个角相等,它们就是对顶角;只要两个同位角相等,两条直线就平行。”

第一句错误。相等只是一种度数关系,对顶角还要求两角由两条相交直线形成、彼此不相邻。

第二句在“两条直线被同一条截线所截”的前提下正确。这时同位角相等可以作为判定两条直线平行的条件。若连截线结构都没有,就不能套用这个判定。


带着这条逻辑链进入三角形

这一章表面上在学角度,真正建立的是一条可以反复使用的推理链:先用射线和旋转说清角,再用度数计算;遇到相交线,用邻补角证明对顶角相等;遇到平行线与截线,再把同位角、内错角、同旁内角接进来;需要判定平行时,反过来检查角关系。

下一章开始研究三角形时,这些工具会立刻派上用场。三角形的三条边会产生三个内角;为了证明三个内角的和是 180°180°180°,我们会在一个顶点作平行线,把另外两个角借助内错角“搬”过来。到那时你会看到,三角形内角和并不是量角器量出来的巧合,而是这一章整条逻辑链自然推出的结果。

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