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G2-L1 · 第二章 三矩变立体

三张纸折出正二十面体

Leonardo's Icosahedron — 达芬奇笔下最美的立体

⏱ 60 分钟 🧒 8–10 岁 👥 独立操作 🎨 数学 · 艺术 · 几何
🎨 1509 年 · 米兰
达芬奇画的那些悬浮立体
1490年代,意大利数学家卢卡·帕乔利(Luca Pacioli)在写一本书,叫《神圣比例》(De Divina Proportione)——专门研究黄金比例和正多面体。

他找到了当时最伟大的艺术家帮他画插图:列奥纳多·达芬奇

达芬奇不是随便画了几张示意图。他发明了一种全新的画法:「空心骨架」——把每个面都画成透明的框架,这样正面和背面的结构都能同时看见。正二十面体、正八面体、正十二面体……达芬奇画了所有五种柏拉图立体,笔触精准到每条棱都完美对称。

500年后,这些插图仍被认为是有史以来最美丽的数学插图
「美是真理的影子。」——列奥纳多·达芬奇(据传)
参考:De Divina Proportione (1509), Luca Pacioli;Leonardo da Vinci的60幅多面体插图,现存于米兰安布罗希亚纳图书馆
核心驱动问题
三张等宽的纸条,只靠插接,真的能"站"成一个正二十面体吗?

学习目标

① 用三张黄金矩形纸条正交插接,亲手制作正二十面体纸模
② 理解"三个正交平面"与正二十面体12个顶点的几何关系
③ 了解达芬奇与帕乔利的合作故事,感受数学与艺术的交融

每人材料

📄 A4纸 × 3张(上节课折好的黄金矩形,或现折)
✂️ 剪刀 × 1
📏 直尺 × 1
🖊️ 铅笔 × 1
📎 长尾夹 × 3(辅助固定)
🔮
本课产出物
折纸正二十面体纸模 + 顶点/棱/面计数验证
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达芬奇的空心骨架画法
⏱ 10 分钟

展示达芬奇《神圣比例》中的正二十面体插图(可打印或展示屏幕),让孩子们观察:

  • 这幅画和普通的"画一个立体"有什么不同?为什么能同时看见正面和背面的棱?
  • 数一数图中的顶点、棱和面——分别是多少个?(先猜,再数)
  • 达芬奇是数学家还是艺术家?这道题有正确答案吗?
1452–1519
列奥纳多·达芬奇
画家、工程师、解剖学家、音乐家。为《神圣比例》绘制60幅立体几何插图,开创"空心骨架"透视画法。
1447–1517
卢卡·帕乔利
意大利数学家,"会计之父",著《神圣比例》系统研究黄金比与正多面体,是达芬奇的挚友。
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制作三张黄金矩形纸条
⏱ 10 分钟

用上节课(G1-L2)学到的折法,从A4纸折出三张等宽的黄金矩形纸条。宽度建议3–4cm,长度约为宽度的1.618倍。

  1. 折出黄金矩形,剪成纸条
    把A4纸折成黄金矩形(长:宽 ≈ 1.618),然后沿宽边剪成均匀的纸条。每张纸折出1条。共需3条,宽度必须完全一致。
  2. 在每条纸的中央开一个插口
    在每条纸的宽度中央,从一端向中间剪一个口,口的长度 = 纸条宽度的一半。三条纸各剪一个,用于正交插接。
3
正交插接:三矩变立体
⏱ 20 分钟
  1. 第一步:平放第一条,插入第二条
    把第一条纸水平放置;把第二条纸从上方垂直插入,两条纸互相卡住,形成一个"十字",但不在同一平面——它们正交(相互垂直)。
  2. 第二步:插入第三条,形成三维十字
    第三条纸从侧面插入,与前两条都成90°角。现在三条纸两两正交,就像三维坐标系的x、y、z轴。用长尾夹临时固定交叉处。
  3. 第三步:观察12个顶点
    三条纸共有12个角点——这12个点,就是正二十面体的12个顶点!它们在空间中的位置,完全符合正二十面体的几何结构。
12个角点 = 正二十面体的12个顶点
三条黄金矩形纸条两两正交,12个端角恰好落在正二十面体12个顶点的位置
4
探究:为什么是黄金矩形?
⏱ 10 分钟

如果用普通矩形(比如1:1.2)做同样的插接,12个角点会偏离正二十面体的位置。只有黄金矩形(1:φ)才能让角点完美对齐。

📐 为什么必须是黄金矩形?
正二十面体的所有棱等长。三条纸正交后,相邻两个顶点之间的距离,等于纸条的宽度。
而从同一条纸的短边两端(相距宽度)到另一条纸的端角(相距宽度的φ倍),这两段距离也必须相等——
解方程后,只有当纸条的长宽比 = φ = 1.618... 时,所有30条棱才等长。

黄金比例不只是"好看",它是让正二十面体成立的数学必要条件
  • 现在数一数你的纸模:顶点V=?棱E=?面F=?验算 V-E+F=2(欧拉公式)
  • 下节课我们会深入研究正二十面体的数学秘密——它为什么是最接近球体的正多面体?
5
总结与预告
⏱ 5 分钟

你和达芬奇"研究"了同一个立体——500年后,它还是通往测地线穹顶的钥匙。

下一课 G2-L2:这个正二十面体为什么如此特殊?柏拉图在2400年前就宣布:宇宙只有五种正多面体,正二十面体是其中之一。我们来追问"为什么只有五种"。
带走的产出物
折纸正二十面体 + 欧拉公式验证记录
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