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精品[精品]00以不变应万变滚动圆问题方法研究初探
“以不变应万变”——滚动圆问题规律初探
祁斌
(江苏省盐城市明达中学 224002)
近年来在中学数学教科书和竞赛中我们经常会遇到与圆的滚动有关的问题,如北师大版九年级(下)130页无滑动江教育出版社出版的九年义务教育初中数学第六册97页有如下一题:?O与O′内切,两圆的半径分别为3cm和1cm ,令O′沿着O顺时针方向滚动。已知滚动时O′绕O转动了3周,求随之运动所经过的路程。学生感到,教师不知如何解释,深入研究了一下自转是指一个圆绕着自己的圆心转动另一个几何图形。几何图形圆前后例1如图1,一个半径为 米的圆从A地滚动到B地,该圆?
图1
简析 圆在沿直线方向从A地滚动到B地圆圈。
二、圆沿凸多边形边缘滚动的问题
例2如图2,一个半径为
图2
简析 如图2,圆在绕凸五边形ABCDE滚动周.设想一下,如果把图2中的五边形ABCDE沿点A处剪开并展开,仿造上面的第一种情形,圆的运动路径可以转化为沿直线运动且圆心所经过的路径长为OO′的长,见图3 , 即OO′=m+2πr . 而圆自转一圈,圆心向前移动距离为2πr, 因此圆圈.类似的对于一般的凸n边形,上面的结论同样成立。
图3
三、动圆绕定圆滚动的问题
例3 如图4 ?⊙O与O′外切,?⊙O和⊙O′的半径为 O′绕着⊙O边缘滚动一周回到初始位置,问⊙O′自转了几圈?
图4
简析 ⊙O′绕着⊙O边缘滚动的一周回到初始位置过程中圆心O′到O点的距离始终保持不变,长为R+r,此时滚动圆圆心O′的运动轨迹是以O为圆心,R+r长为半径的圆,其周长为2π(R+r),⊙O′自身所转的圈数是圆心经过的路径长除以⊙O′的自身周长,故圆转动了圈。如果把图4中的⊙O沿切点A处剪开并展开,仿造上面的第一种情形,圆的运动路径可以转化为沿直线运动,见图5, 即O′=2π(R+r)圆圈.
图5
例4 如图6,⊙O与O′内切,?⊙O和⊙O′的半径为 O′绕着⊙O边缘滚动一周回到初始位置,问⊙O′自转了几圈?
简析 ⊙O′绕着⊙O边缘滚动的一周回到初始位置过程中圆心O′到O点的距离始终保持不变,长为 R-r ,此时滚动圆圆心O′的运动轨迹是以O为圆心,R-r长为半径的圆,其周长为2π(R-r),⊙O′自身所转的圈数是圆心经过的路径长除以⊙O′的自身周长,故圆转动了圈。如果把图6中的⊙O沿切点A处剪开并展开,仿造上面的第一种情形,圆的运动路径可以转化为沿直线运动,见图7, 即O′=2π(R-r)圆圈.
图7
综上所述,滚动圆相关问题的关键在于确定滚动圆圆心的运动路径,假设滚动圆圆心的运动路径为m,其半径为r,自转圈数为n,我们不难得出如下关系:n=.由此本文开头提到的两个问题就很容易解决了:设硬币的半径为r, 滚动的硬币的圆心经过的路径长为2π(r+r)圈。而另一问题中⊙O′绕O转动了3周O′运动所经过的路程
2011精品
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A
B
O
O′
o
B
C
A
E
D
A
0
A
m
2πr
2π(R+r)
A
A
O′
2π(R-r)
A
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