當玩樂變成學習的瞬間!隱藏在萬花尺圖案中的「數學魔法」(Desmos 程式設計)

逐工攏是實驗室,我是科學教練桑子研。

逐家好!閣位細漢的時陣,敢有耍過「設計規」?就是按呢將筆尖搉佇有空的小齒輪,踅啊踅,親像變魔法按呢,就會出現規大陣真複雜、真媠的幾何圖形,彼款予人真懷念的古早物。

其實,佇彼種網仔狀的圖形背後,竟然藏著佮「宇宙法則」相通、予人驚艷的數學世界。
今仔日,我想欲佮逐家分享一位科學部的學生,伊按怎將「耍」變作「科學方程式」的故事。

幾何圖形之美:揭開「繁花曲線」的真面目

講著「Spirograph(繁花曲線規)」,毋知逐家敢有聽過?

繁花曲線規是由一个大齒輪箍仔佮一寡有空的小齒輪組成的。只要將鉛筆插佇空的內底,沿著大圓箍仔踅,就做得出圖形。明明只是單純的動作一直重覆,畫出來的圖竟然親像萬花筒按呢細緻。你看這支短片,就會知影彼種順手畫圖的爽快感:

這馬佇百元商店(好比講Seria)抑是Amazon攏真容易買著,大家攏叫伊做「設計規」。若有興趣,隨買一組來試看覓喔!

科學部員的挑戰:用「數學式」來翻譯美感

進前有一位迷著繁花曲線的科學部學生,伊毋但愛畫圖,竟然閣進一步去研究「畫出這款圖形的數學公式」,閣提來予我看。伊講:「老師!若有這條公式,咱佇電腦嘛會使畫出繁花曲線喔!」看著這份由國中生親手整理出來的資料,我真心覺得這囡仔誠厲害!

佇數學的世界,這款繁花曲線的軌跡予人叫做「內旋輪線(Hypotrochoid)」抑是「外旋輪線(Epitrochoid)」。看起來雖然亂操操,其實攏是「圓形的轉動」這款簡單的運動湊出來的結果。

數位時代的幾何藝術

根據這位學生想出來的公式,我用線上圖形計算機「Desmos」做了一支模擬影片:

上趣味的是,只要公式稍微改一下,圖形的形狀佮密度就會產生誠大的變化。若想欲親自動手玩,點遮就做得入去模擬器的世界。去揣尋看看屬於你家己的圖案啦!順紲分享一下,背後的數學原理是按呢:

簡單來講,繁花曲線就是「佇一个圓形運動當中,閣疊加另外一个無仝速度的圓形運動」。所以公式內底,才會出現高中數學會學著的「sin(正弦)」佮「cos(餘弦)」。

國中生對「趣味」的好奇心,透過數學這款語言,變成了數位的藝術。原底身軀邊平凡的耍物,嘛藏著深度科學的種子。換一个角度看世界,係毋係覺得平素的耍物嘛變得真無簡單?

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