Районная конференция

«Старт в науку»

Номинация: МАТЕМАТИКА

Тема работы:

«Загадочная лента Мебиуса»

Ученица 7-а класса

Руководитель проекта Вакуленко Е.Ю.

Проблема:

Узнать, что такое «лист Мёбиуса» и как его можно использовать.

Гипотезы исследования:

Вероятно Мёбиус-это учёный.

А что если лист Мёбиуса растёт на дереве «Мёбиус»?

Скорей всего на листе Мёбиуса можно писать, делать рисунки, резать

его на части.

Возможно, лист Мёбиуса применяется в технике и искусстве.

Цель:

Выяснить, что такое Мёбиус?

2.Познакомиться со свойствами листа Мёбиуса.

3. Выяснить, где применяется лист Мёбиуса.

4.Изучить опыты с листом Мёбиуса, которые описываются в математической литературе и провести эксперименты.

Официальный термин.

Ле́нта Мёбиуса (лист Мёбиуса, петля́ Мёбиуса) - топологический объект, простейшая неориентируемая поверхность с краем, односторонняя при вложении в обычное трёхмерное евклидово пространство.

Топология

В ходе исследования я узнала, что Мёбиуса считают основателем топологии.

Лист Мёбиуса - один из объектов области математики под названием «топология» (по-другому - «геометрия положения»).

В топологии изучаются свойства фигур и тел, которые не меняются при их непрерывных деформациях (как если бы они были сделаны из резины).

Замечательные ученые

Лента Мёбиуса была открыта независимо немецкими математиками Августом Фердинандом Мёбиусом и Иоганном Бенедиктом Листингом в 1858 году. Листинг опубликовал свою работу, на три года раньше Мебиуса, но лента была названа именем второго

Мёбиус

Листинг

Свойства ленты

Односторонность Непрерывность Двусвязность Отсутствие ориентированности.

Односторонность

У листа Мёбиуса – всего одна сторона. Убедиться в односторонности листа Мёбиуса несложно: если начать постепенно окрашивать его в какой-нибудь цвет, начиная с любого места, и по завершении работы вы обнаружите, что весь он полностью окрашен. ‘

Непрерывность

На листе Мёбиуса любая точка может быть соединена с любой другой точкой и при этом муравью на гравюре Эшера ни разу не придётся переползать через край «ленты». Разрывов нет – непрерывность полная.

Двусвязность

Лист Мёбиуса конечно двусвязен, т.к. если разрезать его вдоль, он превратится не в два отдельных кольца, а в одну целую ленту.

Отсутствие ориентированности ориентированности

Ориентированность – свойство, отсутствующее у листа Мёбиуса. Так, если бы человек смог пропутешествовать по всем изгибам листа Мёбиуса, то тогда он вернулся бы в исходную точку, но превратился бы в своё зеркальное отражение.

Лента Мёбиуса в...

Спираль ДНК

Есть предположение, что спираль ДНК сама по себе тоже является фрагментом ленты Мебиуса и только поэтому генетический код

так сложен для расшифровки и восприятия. Больше того - такая структура объясняет причину наступления биологической смерти

Спираль замыкается сама на себя

и происходит самоуничтожение.

В жизни.

Полоса ленточного конвейера, шлифовальная лента, выполненная в виде ленты Мёбиуса, позволяет ему работать дольше, потому что вся поверхность ленты равномерно изнашивается.

В системах записи на непрерывную плёнку применялись ленты Мёбиуса (чтобы удвоить время записи).

В матричных принтерах красящая лента имела вид листа Мёбиуса для увеличения срока годности. Это дает ощутимую экономию.

Лента Мёбиуса вдохновляющая многих художников своей таинственность. Она лежит в основе некоторых картин знаменитых художников

Опыт воссоздания ленты Мёбиуса интересен не только художникам, но и архитекторам и скульпторам

Маркетинг

Всем известный знак, тоже лента Мёбиуса. А вы об этом задумывались?

Фокусы

Фокусники полюбили ленту Мёбиуса, за свои удивительные свойства.

Эти фокусы точь-в-точь наши опыты, но они очень удивляли зрителей

Опыты

С лентой Мебиуса можно проводить множество экспериментов, чем мы собственно и займёмся

Суть опыта

Полученный результат

Что получится, если начать закрашивать лист Мёбиуса с одной стороны, не переходя через край, какая часть ленты окажется закрашенной?

весь лист полностью окрашен

Что произойдёт с обычным кольцом, если его разрезать посередине?

два отдельных обычных кольца

если лист Мёбиуса разрезать посередине

Результат разрезания кольца посередине – одно кольцо.

Каков результат разрезания листа Мёбиуса на 3 полоски?

получается 2 кольца. Одно из них вдвое длиннее первоначальной ленты и вдвое перекручено.

Разрезаем его по пунктиру (на 5 полосок).

получим 3 кольца: I - лист Мёбиуса - 1 перекрут, ширина 1 см, длина равна длине исходного кольца. II, III - кольца с двумя перекрутами, ширина 1 см, длина в 2 раза больше исходного листа. II и III кольцо сцеплены с I кольцом и между собой.

Поставленной цели я достигла, так как я теперь знаю, что Мёбиус – это великий немецкий учёный, который внёс огромный вклад в развитие науки. Таким образом, получается, что верна первая гипотеза, а предположение что лист Мёбиуса растёт на дереве «Мёбиус» совершенно не верно. Ещё по ходу исследования я узнала, что наука топология – это раздел математики, изучающий явление непрерывности и познакомилась со свойствами листа Мёбиуса. Предположение о применении листа Мёбиуса (ленты Мёбиуса) в технике и искусстве оказалось верным. Ленту Мёбиуса можно встретить в различных сферах деятельности человека. Гипотеза о том, что на листе Мёбиуса можно писать, делать рисунки, резать его на части – верна частично. Ведь писать и рисовать удобнее в тетради и альбоме, а вот разрезая его на части можно проводить различные увлекательные эксперименты.

Заключение

Несмотря на то, что Мёбиус сделал своё удивительное открытие очень давно, оно очень популярно и в наши дни: У математиков - идут дальнейшие исследований

У школьников - очень интересно экспериментировать с лентой Мёбиуса; учителей – есть ещё один способ заинтересовать учеников математикой; В технике – открываются всё новые способы использования ленты Мёбиуса. Мёбиус повлиял не только на математиков, но и на художников, скульпторов, архитекторов и многих, многих, многих…

«Мышление начинается с удивления»,- заметил 2500 лет назад Аристотель. А математика замечательный предмет для удивления. В ходе математического исследования я узнала много нового и интересного, необычного. Чтобы проверить свои гипотезы, я читала книги, работала с различными источниками информации в сети Интернет, проводила эксперименты.

Слайд 1

Удивительный лист Мёбиуса
1

Слайд 2

Предисловие
Многие знают, что такое лента (лист) Мёбиуса. Тем, кто ещё не знаком с удивительным листом, который относится к «математическим неожиданностям», я предлагаю вместе провести исследование и окунуться в светлое чувство познания.
2

Слайд 3

Таинственный и знаменитый лист Мёбиуса (иногда говорят: лента Мёбиуса) придумал в 1858г. немецкий геометр Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), ученик «короля математиков» Гаусса. Мёбиус был первоначально астрономом, как Гаусс и многие другие из тех, кому математика обязана своим развитием. В те времена занятия математикой не встречали поддержки, а астрономия давала достаточно денег, чтобы не думать о них, и оставляла время для собственных размышлений. И Мёбиус стал одним из крупнейших геометров Х1Х в. В возрасте 68 лет ему удалось сделать открытие поразительной красоты. Это открытие односторонних поверхностей, одна из которых – лист Мёбиуса.
3

Слайд 4

Лист Мёбиуса – один из объектов области математики под названием «топология» (по-другому – «геометрия положений»). Удивительные свойства листа Мёбиуса – он имеет один край, одну сторону, – не связаны с его положением в пространстве, с понятиями расстояния, угла и тем не менее имеют вполне геометрический характер. Изучением таких свойств занимается топология. В евклидовом пространстве существуют два типа полос Мёбиуса в зависимости от направления закручивания: правые и левые.
4

Слайд 5

Рассказывают, что открыть свой «лист» Мёбиусу помогла служанка, сшившая однажды неправильно концы ленты.
Легенда
5

Слайд 6

Увлекательное исследование
Запаситесь несколькими листами обычной белой бумаги, клеем и ножницами.

6

Слайд 7

Берем бумажную ленту АВСD. Прикладываем ее концы АВ и СD друг к другу и склеиваем. Но не как попало, а так, чтобы точка А совпала с точкой D, а точка B с точкой С.
А
В
С
D
7

Слайд 8

Получим такое перекрученное кольцо
8

Слайд 9

?
Зададимся вопросом: сколько сторон у этого куска бумаги? Две, как у любого другого? А ничего подобного. У него ОДНА сторона. Не верите? Хотите – проверьте: попробуйте закрасить это кольцо с одной стороны.
9

Слайд 10

Красим, не отрываемся, на другую сторону не переходим. Красим... Закрасили? А где же вторая, чистая сторона? Нету? Ну то-то.
10

Слайд 11

Теперь второй вопрос. Что будет, если разрезать обычный лист бумаги? Конечно же, два обычных листа бумаги. Точнее, две половинки листа. А что случится, если разрезать вдоль посередине это кольцо (это и есть лист Мёбиуса, или лента Мёбиуса) по всей длине? Два кольца половинной ширины? А ничего подобного. А что? Не скажу. Разрежьте сами.
?
11

Слайд 12

А вот что получилось у меня
Лента перекручена два раза.
12

Слайд 13

Теперь сделайте новый лист Мёбиуса и скажите, что будет, если разрезать его вдоль, но не посередине, а ближе к одному краю? То же самое? А ничего подобного!
?
13

Слайд 14

А вот что получилось у меня
14

Слайд 15

А если на три части? Три ленты? А ничего подобного!

Описание опыта

Результат

Простое кольцо разрезала по середине вдоль.

Получила два простых кольца, такой же длины, шириной в два раза уже, с двумя границами.

Лента Мёбиуса разрезала по середине вдоль.

Получила 1 кольцо, длина которого в два раза больше, ширина в два раза уже, перекручено на 1 полный оборот, с одной границей.

Получила два сцепленных друг с другом кольца: 1) лента Мёбиуса - длина = длине исходного, ширина 4см; 2) ширина 1см, длина в два раза больше исходного перекручена на два полных оборота, с двумя границами.

Лента Мёбиуса шириной 5см разрезала вдоль на расстоянии 2см от края.

Получила два сцепленных друг с другом кольца: 1) кольцо – лента Мёбиуса шириной 3см, длина = длине исходного; 2) кольцо - ширина 2см, в два раза длиннее исходного перекрученного на два полных оборота, с двумя границами.

Лента Мёбиуса шириной 5см, разрезала вдоль на расстоянии 3см, от края.

Получила два сцепленных друг с другом кольца:1) кольцо – лента Мёбиуса шириной 2см такой же длины; 2) кольцо – шириной 3см длина его в два раза больше исходного перекручена на два полных оборота.

Лента Мёбиуса шириной 5см. разрезала вдоль на расстоянии 4см, от края.

Получила два сцепленных друг с другом кольца: 1) кольцо - лента Мёбиуса 1см длина = длине исходного; 2) кольцо шириной 4 см, длина в два раза больше исходного, перекручена на два полных оборота, с двумя границами.

На обеих сторонах бумажной ленты провела две пунктирные линии, на равном расстоянии друг от друга, склеили лента Мёбиуса, разрезала вдоль пунктирных линий.

Получила два сцепленных друг с другом кольца: 1) кольцо - в два раза длиннее исходного, ширина в три раза меньше; исходного, два раза перекрученное; 2) кольцо - лента Мёбиуса длина = длине исходного, ширина в три раза меньше исходного, с двумя границами.

Крутим, ?\?_?j?l?b?f , ?j?Z?a?j?_?a?Z?_?f Выполнила ученица 6 класса Карагандинской основной школы Рыжик Галина Задачи проекта: самостоятельно найти литературу о листе Мбиуса; экспериментальным путм выяснить свойства листа Мбиуса; показать необычность этой геометрической поверхности; убедить в том, что лента Мбиуса нашла применение во многих привычных для нас сферах жизни; доказать актуальность выбранной мною темы. Изготовление листа Мбиуса Лист Мбиуса – один из объектов области математики под названием «топология», по - другому – «геометрия положений». Удивительные свойства листа Мбиуса – он имеет один край, одну сторону, – не связаны с его положением в пространстве, с понятиями расстояния, угла и, тем не менее, имеют вполне геометрический характер. Изучением таких свойств занимается топология. Таинственный и знаменитый лист Мбиуса открыл в 1858 г. немецкий геометр Август Мбиус(1790 - 1868), ученик «короля математики» Гаусса. Директор Лейпцигской астрономической обсерва - тории, А.Мбиус был разносторонним учным. В те времена занятия математи - кой не встречали поддержки, а должность в обсерватории давала достаточно денег, чтобы не думать о них и оставляла время для размышлений. И Мбиус стал одним из крупнейших геометров своего времени. Мёбиус Август Фердинанд В возрасте 68 лет ему удалось сделать открытие порази - тельной красоты. Он открыл односторонние поверхности, одна из которых – лист Мбиуса. Мбиус является одним из осно - вателей современной топологии. Эксперименты для всех вопрос гипотеза эксперимент Число перекручиваний 0. Что будет, если разрезать кольцо? Получим 2 кольца, которые уже в 2 раза Получили 2 кольца, которые уже в 2 раза Число перекручиваний 1. Что будет, если ЛМ разрезать вдоль посередине Получим 2 кольца Кольцо, перекрученное на 2 полуоборота, оно уже в 2 раза больше исходного На разных сторонах ЛМ сидят муха и паук. Может ли паук подкрасться к мухе, не переходя через край ленты? Да, сможет По не перекрученному кольцу нет, а по перекрученному - да Искусство и технология Международный символ переработки представляет собой Лист Мбиуса. Чудесные свойства ленты тут же породили множество научных трудов, изобретений, а также многочисленных фантастических рассказов. Есть гипотеза, что спираль ДНК человека сама по себе тоже является фрагментом ленты Мебиуса. Невероятный проект новой библиотеки в Астане, Казахстан. Лента Мбиуса в скульптуре представлена в различных вариантах: от традиционных до самых невероятных… Данная скульптура составлена из множества консервных банок Лист Мбиуса и шар Литография с муравьями принадлежит известному голландскому художнику Морису Эшеру Монумент у здания Президиума Национальной академии наук В Минске Памятник ленте Мбиуса в Москве В практике индийской йоги используется принцип движения энергетических потоков по траектории листа Мбиуса. Среди ювелирных изделий также встречается лента Мбиуса. Лист Мебиуса – символ математики, Что служит высшей мудрости венцом… Он полон неосознанной романтики: В нем бесконечность свернута кольцом. В нем – простота, и вместе с нею – сложность, Что недоступна даже мудрецам: Здесь на глазах преобразилась плоскость В поверхность без начала и конца. Здесь нет пределов, нет ограничений, Стремись вперед и открывай миры, Почувствуй силу новых ощущений, Прими познанья высшего дары. Выводы о проделанной работе: прочитав определнную литературу, я познакомилась с геометрической поверхностью лентой Мбиуса; анализируя собранный материал, я увидела необычность этой ленты; экспериментальным путм я показала, что лист Мбиуса является односторонней поверхностью, что необычно для трхмерной фигуры; я провела восемь опытов с листом и доказала, что он изменяет свои свойства при разрезании; увидела, что усложнение эксперимента не приводит к более эффектным результатам; пыталась убедить, что лента Мбиуса нашла применение во многих привычных для нас сферах жизни; считаю правильным, что лист Мбиуса считают символом современной математики, так как именно он дал толчок новым математическим исследованиям. Использованная литература. Ссылки литературы: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0 %B8%D1%81%D1%82_%D0%9C%D1% 91%D0%B1%D0%B8%D1%83%D1%81 %D0%B0%7C http://www.log - in.ru/articles/1360/%7C http://sola.narod.ru/top.htm%7C http://buckses.info/fizika/ Ссылки картинок: - http://lenta.ru/news/2009/06/29/mobius/ - http://www.ka - gold - jewelry.com/russian/p - products/mobius - ring - silver.php http://mosday.ru/photos/gallery.php?alt =11 &group=monument®ion=moscow_ham ovniki&rows=all&size=9

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Лента Мёбиуса

Лист Мёбиуса относится к числу «математических неожиданностей». Рассказывают, что открыть свой «лист» Мёбиусу помогла служанка, сшившая однажды неправильно концы ленты. Как бы то ни было, но в 1858 году лейпцигский профессор Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), ученик К. Ф. Гаусса, астроном и геометр, послал в Парижскую академию наук работу, включавшую сведения об этом листе. Семь лет он дожидался рассмотрения своей работы и, не дождавшись, опубликовал ее результаты. Одновременно с Мёбиусом изобрел этот лист и другой ученик К. Ф. Гаусса - Иоганн Бенедикт Листинг (1808-1882), профессор Геттингемского университета. Свою работу он опубликовал на три года раньше, чем Мёбиус, - в 1862 году

Что же поразило этих двух немецких профессоров? А то, что у листа Мёбиуса всего одна сторона. Мы же привыкли к тому, что у всякой поверхности, с которой мы имеем дело - две стороны. Убедиться в односторонности листа Мёбиуса несложно: начните постепенно окрашивать его в какой-нибудь цвет, начиная с любого места, и по завершении работы, вы обнаружите, что весь он полностью окрашен.

Вторая неожиданность поджидает нас в тот момент, когда мы попробуем разрезать лист Мёбиуса по его средней линии. «Нормальное» кольцо при этом бы распалось на два куска, а лист Мёбиуса при этом превратится в одно перекрученное кольцо.

Свойства геометрических объектов, которые не меняются при таких преобразованиях, изучает математическая наука - топология. Любопытно, что это название дал ей Иоганн Листинг. Свойство односторонности листа Мёбиуса было использовано в технике: если у ременной передачи ремень сделать в виде ленты Мёбиуса, то его поверхность будет изнашиваться вдвое медленнее, чем у обычного кольца. Это дает ощутимую экономию. Конечно же, главная ценность листа Мёбиуса состоит в том, что он дал толчок новым обширным математическим исследованиям. Именно поэтому его часто считают символом современной математики и изображают на различных эмблемах и значках.

Лента Мёбиуса обладает любопытными свойствами. Если попробовать разделить ленту пополам, разрезая её посередине по линии, параллельной краю, то вместо двух лент получится одна длинная лента с двумя полуоборотами (не лента Мёбиуса). Если теперь эту ленту разрезать посередине, то получаются две ленты намотанные друг на друга. Если же разрезать ленту Мёбиуса, отступая от края приблизительно на треть её ширины, то получаются две ленты, одна - более тонкая лента Мёбиуса, другая - длинная лента с двумя полуоборотами (не лента Мёбиуса). Другие интересные комбинации лент могут быть получены из лент Мёбиуса с двумя или более полуоборотами в них. Например если разрезать ленту с тремя полуоборотами, то получится лента, завитая в узел трилистника. Разрез ленты Мёбиуса с дополнительными оборотами даёт неожиданные фигуры, названные парадромными кольцами.

Лист Мёбиуса служил вдохновением для скульптур и для графического искусства. Мауриц Эшер был одним из художников, кто особенно любил его и посвятил несколько своих литографий этому математическому объекту. Одна из известных - лист Мёбиуса II , показывает муравьёв, ползающих по поверхности ленты Мёбиуса.

Существовали технические применения ленты Мёбиуса. Полоса ленточного конвейера выполнялась в виде ленты Мёбиуса, что позволяло ему работать дольше, потому что вся поверхность ленты равномерно изнашивалась. Также в системах записи на непрерывную плёнку применялись ленты Мёбиуса (чтобы удвоить время записи).

Устройство под названием резистор Мёбиуса - это недавно изобретенный электронный элемент, который не имеет собственной индуктивности. Никола Тесла запатентовал подобное устройство в начале 1900-ых, патент US#512,340. Катушка для электромагнитов предназначалась для использования его в системе глобальной передачи электричества без проводов.

Лист Мёбиуса также постоянно встречается в научной фантастике, например в рассказе Артура Кларка « Стена Темноты» . Иногда научно-фантастические рассказы предполагают, что наша вселенная может быть некоторым обобщенным листом Мёбиуса. В рассказе «Лист Мёбиуса» автора А. Дж. Дейча, бостонское метро строит новую линию, маршрут которой становится настолько запутанным, что превращается в ленту Мёбиуса, после чего на этой линии начинают исчезать поезда.

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Лента Мёбиуса в окружающей нас жизни

Памятник ленте Мёбиуса в Москве