開始練習

弧長公式

弧長公式是:弧長 = 2 × π × 半徑 × 圓心角 ÷ 360。弧是圓周的一部分,圓心角 ÷ 360 就是這段弧占整個圓周的幾分之幾,再乘上圓周長 2πr 就是弧長。例如半徑 6、圓心角 60 度,弧長 = 2π × 6 × 60 ÷ 360 = 2π,約 6.28。

國小六年級學圓周長公式後,會用直徑 × 3.14 算扇形的弧長和扇形周長公式,只做已知半徑和圓心角的直接計算;108 課綱國中三年級改用 π 表示圓周率,也會反過來從弧長求半徑或圓心角,同一學年還會學圓心角、圓周角和切線;高中再用弧度把公式簡化成 rθ。

先看重點

  • 弧長 = 2πr × 圓心角 ÷ 360,國小寫成直徑 × 3.14 × 圓心角 ÷ 360。
  • 國中答案通常保留 π,例如 4π;題目說 π 用 3.14 時才換成小數。
  • 圓周角是同一段弧所對圓心角的一半,半圓所對的圓周角是 90 度。
  • 切線和過切點的半徑垂直,圓外一點的兩條切線段一樣長。

弧長公式:國小、國中、高中寫法

三種寫法算的是同一個東西,只是圓周率和角度的表示方法不同。扇形的周長和面積也常一起考,一併列在下面。

國小弧長 = 直徑 × 3.14 × 圓心角 ÷ 360圓周率用 3.14,答案是小數。
國中弧長 = 2πr × 圓心角 ÷ 360r 是半徑,答案通常保留 π。
高中弧長 s = rθθ 用弧度表示,180 度 = π 弧度,詳細在弧度。
扇形周長半徑 × 2 + 弧長弧長加上兩條半徑。
扇形面積πr² × 圓心角 ÷ 360 = 弧長 × r ÷ 2國小的算法在扇形面積公式。

扇形弧長是哪一段

扇形由兩條半徑和一段弧圍成,弧長只算彎曲的那一段,扇形周長才要再加兩條半徑。圓心角 120 度的扇形占整個圓的 120 ÷ 360 = 1/3,弧長就是圓周長的 1/3。

π 是圓周率,等於圓周長 ÷ 直徑,大約是 3.14159265,小數一直寫不完也不會循環。國小為了好算一律用 3.14,國中改用符號 π 表示,例如半徑 6、圓心角 60 度的弧長寫成 2π,不必算出小數;如果用 3.14 算是 6.28,真正的值約 6.2832。圓周率的歷史和更多位數在圓周率。

圓心角 θ弧長半徑 r圓心
圓心角 θ、半徑 r 的扇形,粗線部分是弧長

弧長公式例題

前兩題是國小也會出的直接計算,後面是國中的反推題和高中的弧度題。用 π 表示時,先把 2 × 半徑 × 圓心角 ÷ 360 算成一個數,再接上 π。

例 1半徑 6 公分、圓心角 60 度的扇形,弧長是多少?

  1. 弧長 = 2π × 6 × 60 ÷ 360 = 2π(公分)
  2. π 用 3.14 時,2 × 3.14 = 6.28(公分)

答:2π 公分,約 6.28 公分

例 2半徑 10 公分、圓心角 72 度的扇形,弧長是多少?

  1. 國中:2π × 10 × 72 ÷ 360 = 4π(公分)
  2. 國小:72 ÷ 360 = 1/5,20 × 3.14 ÷ 5 = 12.56(公分)

答:4π 公分,約 12.56 公分

例 3半徑 9 公分的扇形,弧長是 5π 公分,圓心角是幾度?

  1. 2π × 9 × 圓心角 ÷ 360 = 5π
  2. 18π × 圓心角 ÷ 360 = 5π,圓心角 = 5 × 360 ÷ 18 = 100(度)

答:100 度

例 4圓心角 120 度的扇形,弧長 6.28 公分,半徑是多少?π 用 3.14 計算。

  1. 120 ÷ 360 = 1/3,弧長是圓周長的 1/3
  2. 圓周長 = 6.28 × 3 = 18.84(公分)
  3. 半徑 = 18.84 ÷ 3.14 ÷ 2 = 3(公分)

答:3 公分

例 5半徑 6 公分、圓心角 60 度的扇形,周長是多少?

  1. 弧長 = 2π(公分)
  2. 周長 = 6 × 2 + 2π = 12 + 2π(公分),約 18.28 公分

答:(12 + 2π) 公分

例 6高中題:半徑 4、圓心角 π/3 弧度的扇形,弧長是多少?

  1. s = rθ = 4 × π/3 = 4π/3
  2. π/3 弧度就是 60 度,用度數算 2π × 4 × 60 ÷ 360 = 4π/3,答案一樣

答:4π/3,約 4.19

圓心角和圓周角

頂點在圓心的角叫圓心角,頂點在圓周上、兩邊都和圓相交的角叫圓周角。同一段弧所對的圓周角是圓心角的一半:下圖弧 AB 所對的圓心角 ∠AOB 是 100 度,圓周角 ∠ACB 就是 50 度;C 在弧的另一側任何位置,角度都不變。

國中三年級還會用到三個結果:弧的度數等於它所對的圓心角;直徑所對的圓周角是 180 ÷ 2 = 90 度;圓內接四邊形的對角相加是 180 度,例如一個角 75 度,它的對角是 105 度。

ABCO100°50°弧 AB
同一段弧 AB:圓心角 100 度,圓周角 50 度

切線和割線的差別

直線和圓的位置有三種,看圓心到直線的距離 d 和半徑 r 比大小:d 比 r 大,直線和圓不相交;d 等於 r,直線只碰到圓的一個點,這條直線叫切線,碰到的點叫切點;d 比 r 小,直線穿過圓、交於兩點,叫割線。割線在圓裡面的那一段叫弦。

切線最重要的性質是:過切點的半徑和切線互相垂直。所以題目給切線時,先把圓心和切點連起來,就會出現直角,常常接著用畢氏定理計算。

O不相交切線割線
直線和圓:不相交、相切於一點、割線交於兩點

切線割線整理表

下表把三種位置關係並排比較。最後一列的切割線性質不在 108 課綱國中的學習內容裡,屬於延伸。

比較不相交切線割線
圓心到直線的距離 dd > rd = rd < r
和圓的交點0 個1 個2 個
性質整條線在圓外垂直過切點的半徑圓內的部分是弦,弦心距垂直平分弦
延伸:從圓外一點 P 畫切線 PA 和割線 PBCPA² = PB × PC例如 PB = 4、PC = 9,PA = √36 = 6

弦心距是圓心到弦的垂直線段,它會把弦分成相等的兩半。

切線方程式(高中)

切線方程式是高中一年級學圓方程式以後的內容。圓心在原點、半徑 r 的圓是 x² + y² = r²,圓上一點 (x₀, y₀) 的切線是 x₀x + y₀y = r²。例如 (3, 4) 在圓 x² + y² = 25 上,切線就是 3x + 4y = 25,圓心到這條線的距離是 25 ÷ 5 = 5,剛好等於半徑。

圓心在 (h, k) 時,公式變成 (x₀ − h)(x − h) + (y₀ − k)(y − k) = r²。至於曲線和函數圖形的切線,要到高中選修微分才學,和國中的圓切線是不同的單元。

圓外一點求切線

從圓外一點 P 可以畫出兩條切線 PA、PB,兩條切線段一樣長。因為 OA 垂直 PA,△OAP 是直角三角形,切線段長 = √(OP² − r²)。下圖半徑 5、OP = 13,切線段 PA = √(169 − 25) = √144 = 12,PB 也是 12。

用尺規畫切線:先作 OP 的中垂線找到中點 M,以 M 為圓心、MO 為半徑畫圓,和原來的圓交於 A、B,連接 PA、PB 就是切線。原因是 OP 是這個虛線圓的直徑,直徑所對的圓周角是 90 度,所以 ∠OAP 是直角。中垂線的作法在尺規作圖。

OPAB51213
半徑 5、OP = 13,兩條切線段都是 12

切線例題

第一題是國中的切線段長,第二題是高中用切線方程式求圓外一點的兩條切線。

例 1圓的半徑 5 公分,圓外一點 P 到圓心 13 公分,從 P 到圓的切線段多長?

  1. 半徑垂直切線,△OAP 是直角三角形,OP 是斜邊
  2. PA = √(13² − 5²) = √(169 − 25) = √144 = 12(公分)

答:12 公分

例 2高中題:求從點 (7, 1) 到圓 x² + y² = 25 的兩條切線。

  1. 設切線 y − 1 = m(x − 7),圓心到切線的距離等於半徑 5
  2. |1 − 7m| ÷ √(1 + m²) = 5,平方整理得 12m² − 7m − 12 = 0,m = 4/3 或 −3/4
  3. m = 4/3:4x − 3y = 25,切點 (4, −3);m = −3/4:3x + 4y = 25,切點 (3, 4)
  4. 檢查:(7, 1) 到兩個切點的距離都是 5,切線段等長

答:4x − 3y = 25 和 3x + 4y = 25

圓周長和扇形練習:試做 5 題

數學王的練習是國小一到六年級。弧長公式的基礎是六年級的圓周長,以及五年級的幾分之幾圓對應幾度圓心角:六年級「圓周長和圓面積」練圓周長和半圓、1/4 圓,五年級「內角和與扇形」練扇形的圓心角。

準備好就開始,一共 5 題。

常見問題

弧長公式是什麼?

弧長 = 2πr × 圓心角 ÷ 360。國小用 3.14,寫成直徑 × 3.14 × 圓心角 ÷ 360;高中用弧度,寫成 s = rθ。

弧長和扇形周長有什麼不同?

弧長只有彎的那一段;扇形周長是弧長再加上兩條半徑。

弧長公式國小和國中有什麼差別?

國小用 3.14、只算已知半徑和圓心角的弧長;國中用 π 表示,答案寫成 2π 這種形式,也會從弧長反推半徑或圓心角。

切線和割線差在哪裡?

切線和圓只有一個交點,而且垂直過切點的半徑;割線和圓有兩個交點,兩個交點之間的線段是弦。

延伸學習