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Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas Etapa 1 - Resultados esperados Resumen de la unidad En esta unidad, los estudiantes crearán modelos y calcularán soluciones de ecuaciones trigonométricas por medio de la transformación de funciones trigonométricas. Crearán, describirán y harán predicciones sobre fenómenos periódicos para resolver situaciones matemáticas y del mundo real. Lograrán entender teoremas básicos sobre círculos y hallarán longitudes de arco y áreas de sectores de los círculos. Meta de transferencia: Los estudiantes saldrán de la clase con la capacidad de usar su conocimiento sobre las razones y funciones para interpretar, predecir y resolver situaciones del mundo real mediante la aplicación de medidas indirectas. Estándares de contenido y expectativas Funciones trigonométricas A.PR.11.4.1 Identifica ángulos en posición estándar y asocia su medida con la rotación del lado terminal. Define los ángulos en el plano (en posición estándar, los cuadrantes, los lados coterminales y el ángulo de referencia). A.PR.11.4.3 Representa las funciones trigonométricas por medio de tablas, gráficas, expresiones verbales y ecuaciones. Evalúa funciones trigonométricas para un número real dado. Reconoce las características principales de cada una de las funciones trigonométricas (el dominio, el recorrido, las intersecciones con los ejes, los valores máximos y mínimos, las asíntotas y los intervalos donde es creciente o decreciente). Propiedades de los círculos A.PR.11.4.2 Define el círculo unitario. M.UM.11.8.1 Determina la medida de los ángulos en grados y en radianes y establece las conversiones entre ambas unidades de medida. M.UM.11.8.2 Desarrolla y aplica los valores de las funciones trigonométricas en: 0, π/6, π/4, π/3, π/2, π, y sus múltiplos. M.TM.11.8.3 Calcula longitudes de arco. M.TM.11.8.4 Determina el área de un sector circular. Ideas grandes/Comprensión duradera: Preguntas esenciales: Podemos encontrar aplicaciones de funciones trigonométricas en la vida cotidiana. ¿Qué proyecto han hecho tú o tu familia que podría incluir la trigonometría? Junio 2012 1 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas Los triángulos nos permiten comprender cosas importantes. Las funciones trigonométricas sirven de modelo para situaciones de la vida real. El círculo unitario ayuda a solucionar problemas. ¿Cómo nos ayudan los triángulos a entender el mundo? ¿Por qué son útiles las funciones trigonométricas? ¿Cómo el círculo unitario nos ayuda a entender nuestro mundo? Contenido (Los estudiantes comprenderán...) Destrezas (Los estudiantes podrán...) Ángulos en posición estándar La definición de círculo unitario Los ángulos en el plano (en posición estándar, cuadrantes, lados coterminales y ángulo de referencia) Las características principales de cada una de las funciones trigonométricas (dominio, recorrido, intersecciones con los ejes, valor máximo y mínimo, asíntotas y crecimiento y decrecimiento de intervalos Los valores de las funciones trigonométricas en los radianes (ej., 0, π/6, π/4, π/3, π/2, π) Identificar ángulos en posición estándar y asociar su medida con la rotación del lado terminal. Representar las funciones trigonométricas por medio de tablas, gráficas, expresiones verbales y ecuaciones. Evaluar funciones trigonométricas para un número real dado. Vocabulario de contenido Funciones trigonométricas: amplitud, ángulo de referencia, asíntota, características de funciones trigonométricas, cuadrantes, dominio, eje principal, funciones trigonométricas, intersecciones, intervalo creciente, intervalo decreciente, lados coterminales, lado terminal, periodo, posición estándar, trigonometría, valor máximo, valor mínimo Propiedades del círculo: arco, círculo unitario, grados, pi (π), radián, sector circular, valores de las funciones trigonométricas Reconocer las características principales de cada una de las funciones trigonométricas (el dominio, el recorrido, las intersecciones con los ejes, los valores máximos y mínimos, las asíntotas y los intervalos donde es creciente o decreciente). Determinar la medida de los ángulos en grados y en radianes, y establecer las conversiones entre ambas unidades de medida. Desarrollar y aplicar los valores de las funciones trigonométricas en: 0, π/6, π/4, π/3, π/2, π y sus múltiplos. Calcular longitudes de arco. Determinar el área de un sector circular. Etapa 2 – Evidencia de avalúo Junio 2012 2 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas Tareas de desempeño Otra evidencia 1 La estrella: ¿Cuán rápida es? ¿Cuán segura? Los estudiantes demostrarán su comprensión de las propiedades de los círculos al solucionar un problema sobre una estrella. Parte 1: La gente se está quejando de que la estrella de un parque de diversiones va muy rápido, y tienen miedo de montarse. El operador de la estrella acaba de ser transferido hace poco de la estrella para niños, donde nunca había recibido ninguna queja. Tu reto es llegar hasta el fondo del problema y encontrarle una solución. Con un poco de investigación se obtuvieron los siguientes datos: 1. La estrella para niños tiene un diámetro de 40 pies. 2. La estrella regular tiene un diámetro de 200 pies. 3. Al preguntársele, el operador provee la siguiente información: "Llevo veinte años operando la estrella para niños, ¡y nunca he recibido ni una sola queja! Este es mi sistema: la estrella tiene asientos de diferentes colores. Seis de ellos son de color dorado brillante y se suceden a intervalos iguales. Experimentando durante varios años, encontré que si un asiento dorado llegaba al suelo cada diez toques de la segunda manecilla de mi reloj, los niños quedaban contentos. Ni muy rápido, ni muy lento. Resulta que la estrella para adultos también tiene seis asientos dorados que se suceden a intervalos iguales. Estoy haciendo lo que he hecho siempre, ¡pero los adultos dicen que es muy rápido! No lo entiendo..." Parte 2: La estrella se encuentra junto a una hermosa huerta sembrada de árboles. Sin embargo, estos están envejeciendo y, durante una tormenta reciente, algunos de los más pequeños Ejemplos de preguntas de examen/quiz 1. ¿Cuál ecuación podría usarse para hallar la medida de un ángulo agudo en el ángulo rectángulo que se muestra a continuación?3 a) b) c) d) 2. El poste central de una caseta de acampar es de 8 pies de longitud, y un lado de esta es de 12 pies de longitud, según se muestra en el diagrama a continuación.4 Si se forma un ángulo recto en el lugar en que el poste central toca el suelo, ¿cuál es la medida del ángulo A al grado más cercano? a) 34 b) 42 c) 48 d) 56 3. En un reloj, la manecilla que marca la hora mide 4.5 pulgadas y la manecilla que marca los minutos mide 6 pulgadas.5 a) ¿Cuál es la medida del arco que describe la manecilla que marca la hora a medida que esta se mueve de las 11 a las 4? ¿Cuál 1 Fuente: www.curriculumframer.com Junio 2012 3 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas se cayeron, y estuvieron a punto de dañar la estrella. Tu tarea es decidir qué hacer con los árboles restantes. La propietaria ha marcado unos cuantos árboles que le preocupan. Desde la base de la estrella, has medido el ángulo entre el suelo y la línea de visión hasta el tope del árbol, así como la distancia entre la base del tronco y la base de la estrella. (La estrella tiene un diámetro de 200 pies.) Árboles junto a la estrella Árbol 1 – a 45 pies de distancia, medida del ángulo = 65° Árbol 2 – a 82 pies de distancia, medida del ángulo = 38° Árbol 3 – a 30 pies de distancia, medida del ángulo = 78° A la propietaria no solo le preocupa si los árboles le darán a la estrella si se caen, sino también dónde le darían. Además, como los árboles seguirán creciendo, a la propietaria le gustaría que le enseñaras a cómo estar pendiente de los árboles en el futuro. Presenta tus hallazgos en un informe ilustrado. Evalúa el trabajo de los estudiantes en la rúbrica de evaluación (ver anejo: Organizador - Rúbrica de tarea de desempeño). ¿Quién tiene la razón?2 Los estudiantes demostrarán su comprensión de es la longitud de este arco? b) ¿Cuál es la medida del arco que describe la manecilla que marca los minutos a medida que esta se mueve de las 11 a las 4? ¿Cuál es la longitud de este arco? c) ¿Cuál es el área del sector que cubre la manecilla que marca la hora a medida que se mueve de las 11 a las 4? 4. En el diagrama a continuación, el círculo unitario O posee los radios , y es la tangente del círculo O en B, y es la tangente del círculo O en E. Los puntos O, F, D y C son colineales, y . Si m , identifica los segmentos de línea cuyas medidas sean cada una de las siguientes:6 sen 2 Fuente: http://www.amaps.org/leftfiles/Syllabi/Algebra%202%20Sample%20Tasks.pdf 5 Fuente: http://www.apskids.org/Documents/Math%20II%20Unit%203%20TE%20APS%20Supplement.pdf 4 Ibídem. 3 Fuente: http://www.jmap.org/htmlstandard/Integrated_Algebra/Algebra/A.A.43.htm 6 Ibídem. Junio 2012 4 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas maestra. Escribe una explicación detallada en que compares los grados con los radianes. La explicación debe ser lo más detallada posible para ayudarle a Anthony a entender la conexión. Incluye cualquier cosa que pueda aclarárselo, como diagramas, ecuaciones, etc.9 Boletos de entrada/salida 1. Llena los blancos de la siguiente gráfica. Función trigonométrica Valor exacto Valor aproximado sen π tan45˚ cos270˚ sen π/3 cos___ /2 tan___ cos___ /2 ¿En qué circunstancias utilizarías un aproximado de cada uno de estos valores, en vez de dar una respuesta exacta? 10 2. ¿Cuál es el recorrido de la función f(x) = sen x? En base a tu respuesta, ¿cuál es el recorrido 7 Fuente: http://jfmueller.faculty.noctrl.edu/toolbox/examples/kristensen03/trigtaskjournal.pdf 8 Ibídem. 9 Fuente: http://www.amaps.org/leftfiles/Syllabi/Algebra%202%20Sample%20Tasks.pdf 10 Ibídem. Junio 2012 5 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas de la función f(x) = csc x? Explica tu respuesta.11 3. Completa la tabla: Ángulo Cuadrante Trazar en posición estándar Medida en grados Ángulo cotermi nal positivo Ángulo cotermi nal negativo (2π)/3 π/6 (7π)/4 Etapa 3 – Plan de aprendizaje Actividades de aprendizaje Truco de memorización para razones trigonométricas: Utiliza esta parte como actividad de repaso rápido. Guía a los estudiantes paso a paso para que creen sus propios trucos de memorización que les ayuden a recordar las razones trigonométricas de seno, coseno y tangente. SOH-CAH-TOA les recuerda a los estudiantes que para calcular 1) seno, tienen que dividir la longitud del lado opuesto por la hipotenusa; 2) coseno, tienen que dividir la longitud del lado adyacente por la hipotenusa, y 3) la tangente es la longitud del lado opuesto dividido por la longitud del lado adyacente. Completa el círculo unitario12: Juntos como clase, completen un círculo unitario en blanco en papel cuadriculado. Identifiquen y discutan los patrones en los círculos unitarios como forma de ayudarles a los chicos a recordarlo. Pega en la pared del salón el círculo unitario completado para que los estudiantes lo usen de referencia en lecciones futuras. Pídeles a los estudiantes que como práctica en casa completen un círculo unitario en blanco tanto en radianes como en grados. Estos también les servirán de referencia durante la unidad (ver anejo: 11.2 Actividad de aprendizaje Completa el círculo unitario). Funciones circulares de seno, coseno y tangente 13: Los estudiantes calculan el seno, coseno y la tangente para trazar la gráfica de cada función. Los estudiantes entonces comparan las características de las funciones como la amplitud, el periodo, el dominio y el recorrido. Utiliza esta actividad para introducir y definir términos como amplitud, periodo y eje principal, y para discutir las características de las funciones circulares básicas (ver anejo: 11.2 Actividad de aprendizaje - Las funciones circulares seno, coseno y tangente). 11 Ibídem. 12 Fuente: http://www.wsfcs.k12.nc.us/Page/7246 13 Ibídem. Junio 2012 6 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas Recorrido de radianes14: Tras introducir a los estudiantes al círculo unitario, pídeles que jueguen al juego del recorrido de radianes para consolidar su comprensión de las medidas de los ángulos en los radianes y las coordenadas correspondientes en el círculo unitario. 1. Utiliza cinta adhesiva conductora o cinta adhesiva protectora (masking tape) para crear un círculo unitario con un diámetro de aproximadamente doce pies en el suelo en el centro del salón de clases. Incluye los ejes de x y de y para marcar los ángulos de 90 grados. Rotúlalos para que los estudiantes sepan la ubicación de 0 radianes. Marca los ángulos de 30, 45 y 60 grados en cada cuadrante. 2. Pon la aguja en el origen. Enciende la música y haz que los estudiantes caminen en un círculo hasta que se detenga la música. En ese momento cada estudiante deberá estar en uno de los ángulos del círculo unitario marcados. Haz girar la aguja. La aguja indica el estudiante que debe mencionar sus coordenadas y ubicación en el círculo unitario. Si ese estudiante comete un error, quedará eliminado(a) del juego. Si tu clase es de más de quince o dieciséis estudiantes, tal vez prefieras usar dos círculos unitarios. Evaluación de las funciones trigonométricas15: Pídeles a los estudiantes que evalúen las funciones trigonométricas utilizando triángulos rectángulos especiales, con y sin calculadora (ver anejo: 11.2 Actividad de aprendizaje - Evaluación de las funciones trigonométricas). Rompecabezas trigonométrico16: Recorta el rompecabezas cuatro por cuatro de funciones trigonométricas y sus equivalentes. Los estudiantes vuelven a formar el rompecabezas pareando los equivalentes. Pueden crear también sus propios rompecabezas. (ver anejo: 11.2 Actividad de aprendizaje - Rompecabezas trigonométrico). Juego del seno coseno17: Una vez se introduzca el tema de las funciones de seno y coseno, los 14 Fuente: http://www.pleacher.com/handley/lessons/trig/radwalk.html 15 Fuente: http://www.wsfcs.k12.nc.us/Page/7246 16 Fuente: http://www.pleacher.com/handley/lessons/trig/cutups.html 17 Fuente: http://www.pleacher.com/handley/lessons/trig/sincosgm.html Junio 2012 7 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas estudiantes estarán listos para jugar al juego del seno coseno. Una vez se haya dado una introducción a los estudiantes de las seis funciones trigonométricas, jueguen el mismo juego, pero mezclen secante con coseno o cosecante con las expresiones de seno en la columna de la izquierda. Esto ayuda a consolidar en especial las destrezas de razonamiento deductivo, interpretación de gráficas y aproximación. Los estudiantes tendrán además la oportunidad de aprender de, y trabajar con otros. (ver anejo: 11.2 Actividad de aprendizaje - Juego del seno coseno). 1. Divide la clase en parejas y distribuye hojas sueltas de papel a cada una. En esta hoja habrá dos columnas. La columna de la izquierda contiene expresiones ya sea con funciones de seno o coseno. En la columna de la derecha se encuentran aproximaciones decimales de las expresiones de la columna de la izquierda, pero en un orden aleatorio. Se escogen valores de forma tal que solo uno de los cinco valores decimales sea posible por cada función. 2. Cada pareja tendrá tres minutos para parear cada expresión de la columna de la izquierda con su representación decimal correspondiente en la columna de la derecha. No se permite usar calculadora. 3. Gana la pareja que obtenga los cinco pareos correctos. Ejemplos para planes de la lección Ángulos en el plano18: En esta lección, los estudiantes identificarán y describirán ángulos en el plano y harán conversiones de medidas de grados a radianes, y viceversa. Guíalos paso a paso con las notas guiadas mientras los estudiantes completan las hojas a medida que discutes cada tema (ver anejo: 11.2 Ejemplo para plan de lección - Ángulos en el plano). Dales a los estudiantes problemas de práctica para consolidar la lección. Radianes, grados, longitud de arco, sectores19: En esta lección, los estudiantes aprenderán cómo convertir de radianes a grados y viceversa. Aprenderán además cómo medir la longitud de arco y área de los sectores. Guíalos paso a paso con las notas guiadas mientras los estudiantes completan las hojas a medida que discutes cada tema. (ver anejo: 11.2 Ejemplo para plan de lección Radianes, grados, longitud de arco, sectores). Gráficas del círculo unitario20: En grupos de dos a tres estudiantes, utilicen espagueti crudo para transferir las longitudes del círculo unitario a una función en papel cuadriculado puesto sobre papel de estraza grande. En el proceso, los estudiantes descubrirán y compararán las características claves de las gráficas de seno y coseno. Los estudiantes explorarán las relaciones entre las longitudes al entender cómo todas las medidas se basan solo en el espagueti inicial, que es una unidad (y por lo tanto, el círculo unitario). La mayoría de la lección tendrá un enfoque en las longitudes físicas 18 Fuente: http://math.springbranchisd.com/high/classes/precalculus/PreCalculus_Scope_08_2008.pdf 19 Fuente: http://www.wsfcs.k12.nc.us/Page/7246 20 Fuente: http://illuminations.nctm.org/LessonDetail.aspx?id=L785 Junio 2012 8 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas comparativas del espagueti, no en medidas numéricas. Para más información y hojas de actividades, dirigirse a http://www.pbs.org/newshour/extra/teachers/lessonplans/math/math_recall_9-29.html. http://illuminations.nctm.org/LessonDetail.aspx?id=L785. Materiales: papel de estraza, espagueti crudo, cinta adhesiva protectora, transportadores, reglas métricas, lápices de colores, hilo de tejer (aproximadamente 7 pies por grupo). Instrucciones: 1. Repártele las gráficas de la actividad de círculo unitario a cada estudiante. 2. El primer reto para los estudiantes será averiguar cómo dibujar un círculo con un radio equivalente a un fideo. Cuando los estudiantes comiencen a trazar los círculos, date la vuelta por el salón de clase para asegurarte de que estén bien dibujados. 3. A medida que los estudiantes comienzan a medir y marcar las medidas de sus ángulos, asegúrate de que coloquen el fideo alrededor del círculo en contra de las manecillas del reloj comenzando en (1.0). Esto los ayuda a reforzar la idea de las medidas de ángulos del círculo unitario para los ángulos que están en posición estándar. La gráfica funcionará sin importar la dirección en que coloquen el fideo sobre el círculo, pero esto los ayudará a reforzar lo que han aprendido sobre la trigonometría de los círculos unitarios. 4. No distribuyas la hoja de actividades con preguntas hasta que los estudiantes hayan terminado la hoja de gráficas correctamente. Longitud de arco y sectores de área21: Se guía a los estudiantes paso a paso con un ejemplo del mundo real para que descubran cómo calcular tanto la longitud de arco como el área de sectores circulares. Instrucciones: Longitud de arco: La medida de un arco se calcula en unidades de grados y se define como la medida de su ángulo central. La longitud de arco se calcula en unidades de distancia. En esta tarea, elaborarás una fórmula para calcular la longitud de un arco. 1. Considera la foto del carrusel aquí al lado. El caballo más próximo al centro está a 12 pies del centro del carrusel. El caballo más lejano del centro está a 24 pies de este. 2. Supón que el carrusel da una vuelta completa. a. ¿Por cuántos grados gira el caballo más lejano? b. ¿Por cuántos grados gira el caballo más próximo? c. ¿Recorren los caballos la misma distancia? ¿Por qué o por qué no? d. Si los dos caballos recorren la misma distancia, ¿cuán lejos llegan? Si recorren diferentes distancias, ¿cuán lejos llega cada uno? Explica cómo lo sabes. 3. Supón que el carrusel rota 120°. 21Fuente:http://www.atlanta.k12.ga.us/cms/lib/GA01000924/Centricity/Domain/262/Math_II_Unit_3_APS_STUDENT_E dition.pdf Junio 2012 9 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas a. ¿Cuántos grados rota el caballo más lejano? b. ¿Cuántos grados rota el caballo más próximo? c. ¿Cuán lejos llega cada caballo durante esta rotación? Explica cómo lo sabes. 4. Puede hacerse un modelo de las posiciones del caballo más próximo y más lejano del centro del carrusel usando dos círculos concéntricos. Los círculos concéntricos son círculos coplanales que tienen el mismo centro. a. Utiliza tu compás para construir círculos concéntricos que representen las posiciones del caballo más próximo y más lejano a medida que gira el carrusel. b. Considera que la distancia que recorre un caballo es la longitud de arco que atraviesa el caballo en su círculo. Utiliza tu diagrama y respuestas de los problemas 1 y 2 para ayudarte a determinar una fórmula para hallar la longitud de cualquier arco en cualquier círculo. Área de un sector: El carrusel de la foto necesita ser remodelado. Supón que, en un esfuerzo por hacerlo más colorido, la feria desea pintarle un patrón de sectores al suelo del carrusel. Un sector de un círculo es una región entre dos radios y un arco de un círculo. 5. Considera el suelo del carrusel. Puede representarse con el círculo externo de tu diagrama del Problema 3a. Utiliza tu compás para construir un único círculo que represente el suelo del carrusel. ¿Cuál es el área del suelo? Explica cómo lo sabes. 6. El propietario ha decidido pintar el suelo con un patrón de sector con ángulos centrales de 10°, 20°, y luego de 30°. Utiliza tu transportador y un escalímetro (regla triangular de ingeniero) para dibujar el patrón de tu círculo. ¿Cuántos sectores de cada medida de grado tiene tu "piso"? 7. Supón que cada sector con un ángulo central de 10° se pintará de púrpura, cada sector con un ángulo central 20° se pintará de rosa y cada sector con un ángulo central 30° se pintará de azul. ¿Cuántos pies cuadrados del piso estarán pintados de púrpura? ¿De rosa? ¿De azul? Explica cómo lo sabes. 8. Utiliza lo que aprendiste en los problemas 4 y 6 para ayudarte a determinar una fórmula para hallar la longitud de cualquier sector en cualquier círculo. Recursos adicionales http://profjserrano.wordpress.com/ http://education.ti.com/downloads/guidebooks/graphing/84p/TI84Plus_guidebook_ES.pdf http://isa.umh.es/calc/TI/TI83/TI83manual-spa.pdf Matemáticas Integradas I, II, III de McGraw Hill Pre cálculo: Funciones y gráficas de Raymond Barnett Algebra I de Glencoe Conexiones a la literatura Nota: Aunque los siguientes libros están dirigidos a estudiantes de la escuela primaria, éstos apuntan a los principios fundamentales de matemáticas los cuales se pueden explorar en todos los niveles. Todo el mundo disfruta de que alguien le lea y los estudiantes de la escuela secundaria no son la excepción. Estos libros son una excelente introducción a las unidades de estudio. Más allá de la coincidencia de Martin Plimmer El matemático del rey de Juan Carlos Arce Junio 2012 10 Unidad 11.2: Propiedades de los círculos y funciones trigonométricas Matemáticas 4 semanas La música de los números primos: El enigma de un problema matemático abierto de Marcus Du Sautoy Trigonometric Delights de Eli Maor Junio 2012 11