例题一|圆心的直线轨迹
半径2厘米的圆沿水平直线向右无滑动滚动,圆心向右前进12π厘米。求圆心的轨迹长、离地高度,以及滚动圈数。
- 圆心离地高度始终等于半径,为2厘米。轨迹是平行于地面的一段直线。
- 全程向右,无往返,所以轨迹长等于前进距离,为12π厘米。
- 圆周长为2π×2=4π厘米。无滑动时一圈前进一个周长,圈数为12π÷4π=3圈。
- 检查:3×4π=12π,与题目给的前进距离一致。高度不是轨迹长,也不是圆周长。
平面几何 · S班拓展
返回知识点目录认准研究点,逐段找支点、半径与转角。
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一个长4厘米、高3厘米的刚性矩形,初始下边甲乙贴地,甲在左下、乙在右下、丙在右上、丁在左上。矩形沿水平地面向右无滑动翻滚4次,每次恰好90°。求标记点甲的轨迹长,以及甲的水平位移。
第0步:甲(0,0)、乙(4,0)、丙(4,3)、丁(0,3)。依次绕乙、丙、丁、甲旋转。
当前矩形演示 · 每4步完成一次翻滚
4 厘米
甲到支点乙的距离不变;甲走四分之一圆弧。
棕色轨迹是甲实际走过的路;地面刻度是水平位置。图中初始矩形按4:3绘制,单位为厘米。
目标:区分轨迹长与位移;用定点旋转识别圆弧;能处理支点变化、半径不同和研究点成为支点的情况。
前置:圆的周长2πr、扇形圆心角、矩形性质、勾股定理,以及分段求和。勾股定理在本页以已知前置使用:直角三角形两直角边a、b和斜边d满足d²=a²+b²。
定位:本页为项目编排的S班拓展,不作A班常规要求,也不声称是六上官方必学。限定水平直线、刚性物体、无滑动接触;不研究一般圆周点的摆线长度、曲面滚动或真实碰撞动力学。
圆与水平直线相切,圆心到切点的半径垂直地面,长度始终为r。因此圆心始终位于距地面r的平行线上;连续向右滚动时,圆心轨迹就是该直线上的一段。
若向右无滑动滚动n圈,n为非负整数,接触轮缘在地面展开n个周长,圆心前进2πrn。若题目已直接给圆心从左到右前进d,则轨迹长就是d,不需要额外乘周长。若往返,轨迹的行走总长与起终点距离也要分开。
一段翻滚中接触顶点O固定,刚体上的点P到O的距离不变。点P的位置因此在以O为圆心、OP为半径的圆上;转过θ度就走相应圆弧。弧长是整圆周长的θ/360:L=2π·OP·θ/360。这里θ取该段实际旋转角度,单位为度。
矩形从一条边贴地翻至下一条边贴地,邻边互相垂直,向右需要顺时针转90°。所以每段弧长是π·OP/2。换了支点,半径必须重新量;P正好是O时,P固定不动,该段贡献为0。
同一顶点先后绕多个顶点旋转,得到的是多段圆弧的拼接,通常没有单一圆心。轨迹总长是各段长度之和,即使重复经过某处也按走过次数累加。
半径2厘米的圆沿水平直线向右无滑动滚动,圆心向右前进12π厘米。求圆心的轨迹长、离地高度,以及滚动圈数。
条件与上方演示完全相同。初始顶点依次甲(0,0)、乙(4,0)、丙(4,3)、丁(0,3),单位厘米。每次向右翻90°,共4次,求甲的轨迹长和位移。
一般化:底边a、高b的矩形,标记最初左下顶点,四次90°向右翻滚,轨迹长为π(a+√(a²+b²)+b)/2,水平位移为2(a+b),其中a、b均大于0。根号项必须是对角线,不能用a+b代替。
半径3厘米的圆在水平地面向右无滑动滚动2圈。求圆心的轨迹长、离地高度。能否据此直接断言圆周上一点也走同样长?
一圈前进2π×3=6π厘米,两圈前进12π厘米。圆心始终离地3厘米,轨迹为直线段,所以轨迹长12π厘米、高度3厘米。不能把此结论套给圆周点:圆周点相对圆心旋转,高度变化,其轨迹不是这条直线。本页不计算其摆线长度。
底边5厘米、高12厘米的矩形,甲在初始左下,乙在右下,丙在右上,丁在左上。沿水平地面向右无滑动翻滚2次,每次90°。求甲的轨迹长与水平位移;甲最后离地多高?
第一次绕乙,半径5,甲从(0,0)到(5,5),弧长5π/2厘米。第二次绕丙,此时丙在(17,0)。对角线d满足d²=5²+12²=169,所以d=13,弧长13π/2厘米。总轨迹长(5+13)π/2=9π厘米。
第二次甲到(17,12),因此水平位移为17厘米,最后离地12厘米。本题只问水平位移;起终点的直线距离另为√433厘米,不是17厘米。未做完四次,不能使用完整周期位移2(5+12)=34厘米。
解题顺序:确定点 → 标每段支点 → 写转角与半径 → 求弧长并相加 → 用坐标或接触点核对位移。图能提示分段,距离不变与圆弧公式才是计算依据。
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半径两厘米的圆沿直线无滑动滚动。圆心一直离地两厘米,所以圆心轨迹是平行于地面的直线。
圆心前进十厘米,轨迹就长十厘米。圆周上的点会忽高忽低,不能套用这个结论。
再看长四、宽三厘米的矩形。标记最初的左下顶点甲,向右连续翻滚四次,每次九十度。
第一次绕右下顶点乙旋转。甲到乙始终是四厘米,所以甲走半径四厘米的四分之一圆弧。
第二次换支点丙,甲到丙是对角线,长五厘米。第三次绕丁,半径是三厘米。
第四次轮到甲自己做支点,甲保持不动。这一段轨迹长度为零,不是再走一段圆弧。
四分之一圆弧长等于半径乘派再除以二。把四、五、三、零相加,总轨迹长六派厘米。
矩形向右推进三加四加三加四,共十四厘米。这是位移,不等于标记点走过的曲线长度。
解题时依次确定研究点、支点、转角和半径,再分段相加。圆周点的摆线问题,本页不作展开。