Cách vẽ ngũ giác đều bằng compa và thước kẻ chi tiết từng bước

Cách vẽ ngũ giác đều là kỹ năng cơ bản trong hình học mà học sinh cần nắm vững. Hình ngũ giác đều với 5 cạnh bằng nhau và 5 góc bằng nhau xuất hiện nhiều trong toán học và đời sống. Bài viết này hướng dẫn chi tiết cách vẽ hình ngũ giác đều bằng compa và thước kẻ, kèm theo cách vẽ lục giác đều bằng compa để bạn tham khảo.

1. Hình ngũ giác là gì? Hình ngũ giác đều là gì?

Hình ngũ giác là đa giác có 5 cạnh và 5 đỉnh. Đây là một trong những hình đa giác cơ bản trong hình học phẳng.

1.1. Định nghĩa hình ngũ giác

Ngũ giác (hay hình ngũ giác) là đa giác được tạo thành từ 5 đoạn thẳng nối 5 điểm không thẳng hàng, trong đó mỗi đoạn thẳng chỉ có điểm đầu và điểm cuối chung với hai đoạn thẳng khác.

1.2. Định nghĩa ngũ giác đều

Ngũ giác đều (hay hình ngũ giác đều) là ngũ giác có:

• 5 cạnh bằng nhau
• 5 góc bằng nhau (mỗi góc bằng 108°)

Ngũ giác đều là hình đa giác đều 5 cạnh, có tính đối xứng cao và xuất hiện nhiều trong tự nhiên cũng như kiến trúc.

1.3. Phân loại ngũ giác

2. Tính chất của ngũ giác đều

Trước khi tìm hiểu cách vẽ hình ngũ giác, cần nắm các tính chất quan trọng của ngũ giác đều.

2.1. Tính chất về góc

2.2. Tính chất về cạnh và đường chéo

Gọi cạnh của hình ngũ giác đều là \(a\):

• Số đường chéo: \(\frac{5(5-3)}{2} = 5\) đường chéo
• Độ dài đường chéo: \(d = a \cdot \varphi = a \cdot \frac{1 + \sqrt{5}}{2} \approx 1,618a\)

Trong đó \(\varphi = \frac{1 + \sqrt{5}}{2} \approx 1,618\) là tỉ lệ vàng (Golden Ratio).

2.3. Công thức tính diện tích và chu vi

2.4. Tính đối xứng

Ngũ giác đều có:

• 5 trục đối xứng: Mỗi trục đi qua một đỉnh và trung điểm cạnh đối diện
• Tâm đối xứng quay: Bậc 5 (quay 72° quanh tâm sẽ trùng với chính nó)

3. Cách vẽ ngũ giác đều bằng compa và thước kẻ

Dưới đây là hướng dẫn chi tiết cách vẽ ngũ giác đều bằng compa và thước kẻ theo phương pháp cổ điển.

3.1. Dụng cụ cần chuẩn bị

• Compa
• Thước kẻ
• Bút chì
• Giấy vẽ

3.2. Cách vẽ hình ngũ giác đều – Phương pháp 1 (Phương pháp cổ điển)

Đây là cách vẽ hình ngũ giác đều nội tiếp trong đường tròn bán kính R cho trước:

Bước 1: Vẽ đường tròn tâm O

• Dùng compa vẽ đường tròn tâm O, bán kính R
• Vẽ hai đường kính vuông góc AB và CD

Bước 2: Xác định trung điểm M của OA

• Dùng compa xác định trung điểm M của đoạn OA
• M là điểm cách O một khoảng bằng \(\frac{R}{2}\)

Bước 3: Vẽ cung tròn tâm M

• Đặt compa tại M, mở khẩu độ bằng MC
• Vẽ cung tròn cắt OB tại điểm N

Bước 4: Xác định độ dài cạnh ngũ giác

• Đoạn CN chính là cạnh của ngũ giác đều nội tiếp đường tròn
• Đặt compa có khẩu độ bằng CN

Bước 5: Vẽ các đỉnh của ngũ giác

• Từ C, dùng compa (khẩu độ CN) vẽ cung cắt đường tròn tại điểm \(P_1\)
• Từ \(P_1\), vẽ cung cắt đường tròn tại \(P_2\)
• Tiếp tục tương tự để có 5 điểm: \(C, P_1, P_2, P_3, P_4\)

Bước 6: Nối các đỉnh

• Dùng thước nối 5 đỉnh theo thứ tự: \(C \to P_1 \to P_2 \to P_3 \to P_4 \to C\)
• Ta được hình ngũ giác đều nội tiếp đường tròn

3.3. Cách vẽ ngũ giác đều – Phương pháp 2 (Đơn giản hơn)

Đây là cách vẽ hình ngũ giác đều khi biết trước độ dài cạnh a:

Bước 1: Vẽ cạnh đầu tiên AB = a

Bước 2: Tính bán kính đường tròn ngoại tiếp

\[ R = \frac{a}{2\sin 36°} \approx 0,851a \]

Bước 3: Xác định tâm O

• Vẽ đường trung trực của AB
• Từ A (hoặc B), vẽ cung tròn bán kính R cắt đường trung trực tại O

Bước 4: Vẽ đường tròn ngoại tiếp

• Vẽ đường tròn tâm O, bán kính R

Bước 5: Xác định các đỉnh còn lại

• Từ B, dùng compa (khẩu độ a) vẽ cung cắt đường tròn tại C
• Tiếp tục từ C tìm D, từ D tìm E

Bước 6: Nối các đỉnh hoàn thành ngũ giác đều

3.4. Giải thích toán học

Tại sao phương pháp trên cho ra ngũ giác đều?

Trong phương pháp 1:

• \(OM = \frac{R}{2}\)
• \(MC = \sqrt{OC^2 + OM^2} = \sqrt{R^2 + \frac{R^2}{4}} = \frac{R\sqrt{5}}{2}\)
• \(ON = MC – OM = \frac{R\sqrt{5}}{2} – \frac{R}{2} = \frac{R(\sqrt{5}-1)}{2}\)
• \(CN = \sqrt{OC^2 + ON^2} = R\sqrt{\frac{5-\sqrt{5}}{2}} = 2R\sin 36°\)

Đây chính là độ dài cạnh của ngũ giác đều nội tiếp đường tròn bán kính R.

4. Cách vẽ hình ngũ giác đều nội tiếp đường tròn

Phần này trình bày chi tiết hơn cách vẽ hình ngũ giác đều nội tiếp khi đã có đường tròn.

4.1. Phương pháp dùng thước đo góc

Đây là cách vẽ hình ngũ giác đơn giản nhất nếu có thước đo góc:

1. Bước 1: Vẽ đường tròn tâm O bán kính R
2. Bước 2: Chọn điểm A bất kỳ trên đường tròn
3. Bước 3: Từ tâm O, dùng thước đo góc đánh dấu các góc 72°, 144°, 216°, 288° so với OA
4. Bước 4: Các tia này cắt đường tròn tại B, C, D, E
5. Bước 5: Nối A, B, C, D, E theo thứ tự

4.2. Phương pháp chia đường tròn thành 5 phần bằng nhau

5. Vẽ ngũ giác đều bằng các công cụ khác

5.1. Vẽ hình ngũ giác bằng phần mềm GeoGebra

Các bước vẽ ngũ giác đều trên GeoGebra:

1. Chọn công cụ “Regular Polygon” (Đa giác đều)
2. Click chọn 2 điểm A, B làm một cạnh
3. Nhập số cạnh: 5
4. Phần mềm tự động vẽ hình ngũ giác đều

5.2. Vẽ hình ngũ giác bằng thước và êke

Nếu không có compa, có thể vẽ hình ngũ giác gần đúng:

1. Vẽ đoạn AB (cạnh ngũ giác)
2. Tại A và B, dùng thước đo góc vẽ góc 108°
3. Trên mỗi tia, đặt đoạn bằng AB
4. Tiếp tục tương tự cho các đỉnh còn lại

6. Cách vẽ lục giác đều bằng compa

Ngoài ngũ giác đều, cách vẽ lục giác đều bằng compa cũng là kỹ năng quan trọng và thực tế còn đơn giản hơn.

6.1. Tính chất lục giác đều

6.2. Các bước vẽ lục giác đều bằng compa

Cách vẽ lục giác đều bằng compa rất đơn giản vì cạnh lục giác đều bằng bán kính đường tròn ngoại tiếp:

Bước 1: Vẽ đường tròn tâm O bán kính R

Bước 2: Chọn điểm A bất kỳ trên đường tròn

Bước 3: Giữ nguyên khẩu độ compa bằng R, đặt compa tại A, vẽ cung cắt đường tròn tại B

Bước 4: Đặt compa tại B, vẽ cung cắt đường tròn tại C

Bước 5: Tiếp tục tương tự để có 6 điểm: A, B, C, D, E, F

Bước 6: Nối các điểm theo thứ tự: A → B → C → D → E → F → A

Kết quả: Lục giác đều ABCDEF

6.3. Tại sao phương pháp này đúng?

Vì góc ở tâm của lục giác đều là 60°, tam giác OAB là tam giác đều (OA = OB = AB = R). Do đó, cạnh lục giác đều bằng đúng bán kính đường tròn ngoại tiếp.

7. So sánh ngũ giác đều và lục giác đều

8. Bài tập vận dụng

Bài tập 1: Tính toán cơ bản

Đề bài: Cho ngũ giác đều có cạnh a = 6 cm. Tính:

a) Chu vi ngũ giác

b) Độ dài đường chéo

Lời giải:

a) Chu vi: \(C = 5a = 5 \times 6 = 30\) cm

b) Đường chéo: \(d = a \cdot \varphi = 6 \times \frac{1+\sqrt{5}}{2} \approx 6 \times 1,618 \approx 9,71\) cm

Đáp số: a) 30 cm; b) ≈ 9,71 cm

Bài tập 2: Tính diện tích

Đề bài: Tính diện tích hình ngũ giác đều có cạnh 10 cm.

Lời giải:

Áp dụng công thức:

\[ S = \frac{a^2}{4}\sqrt{25 + 10\sqrt{5}} \]

\[ S = \frac{10^2}{4}\sqrt{25 + 10\sqrt{5}} = 25\sqrt{25 + 10\sqrt{5}} \]

\[ S \approx 25 \times 6,882 \approx 172,05 \text{ cm}^2 \]

Đáp số: S ≈ 172,05 cm²

Bài tập 3: Bán kính đường tròn

Đề bài: Ngũ giác đều nội tiếp đường tròn bán kính R = 5 cm. Tính độ dài cạnh ngũ giác.

Lời giải:

Cạnh ngũ giác đều nội tiếp:

\[ a = 2R\sin 36° = 2 \times 5 \times \sin 36° \approx 10 \times 0,588 \approx 5,88 \text{ cm} \]

Đáp số: a ≈ 5,88 cm

Bài tập 4: Thực hành vẽ

Đề bài: Thực hành vẽ ngũ giác đều có cạnh 4 cm bằng compa và thước kẻ.

Hướng dẫn:

1. Tính bán kính ngoại tiếp: \(R = \frac{4}{2\sin 36°} \approx \frac{4}{1,176} \approx 3,4\) cm
2. Vẽ đường tròn bán kính 3,4 cm
3. Áp dụng phương pháp đã học để xác định 5 đỉnh
4. Kiểm tra: Đo các cạnh phải xấp xỉ 4 cm

Bài tập 5: Bài tập tự luyện

1. Tính chu vi và diện tích hình ngũ giác đều có cạnh 8 cm
2. Ngũ giác đều có diện tích 50 cm². Tính độ dài cạnh
3. So sánh diện tích ngũ giác đều và lục giác đều cùng có cạnh 5 cm
4. Thực hành vẽ hình ngũ giác đều nội tiếp đường tròn bán kính 6 cm

Đáp số:

1. C = 40 cm; S ≈ 110,11 cm²
2. a ≈ 5,39 cm
3. Ngũ giác: ≈ 43,01 cm²; Lục giác: ≈ 64,95 cm²
4. Cạnh ngũ giác ≈ 7,05 cm

9. Kết luận

Cách vẽ ngũ giác đều là kỹ năng hình học quan trọng mà học sinh cần nắm vững. Qua bài viết này, bạn đã học được:

• Định nghĩa và tính chất của hình ngũ giác, ngũ giác đều
• Cách vẽ hình ngũ giác đều bằng compa và thước kẻ theo nhiều phương pháp
• Công thức tính chu vi, diện tích, đường chéo của hình ngũ giác đều
• Cách vẽ lục giác đều bằng compa (bonus)

Hãy thực hành vẽ hình ngũ giác và vẽ ngũ giác đều thường xuyên để thành thạo kỹ năng này. Chúc bạn học tốt!