每日一题[270] “公转”与“自转”

2011年高考江西卷理科数学第10题(略去了选项):

如图,一个直径为\(1\)的小圆,沿着直径为\(2\)的大圆内壁的顺时针方向滚动,\(M\)和\(N\)是小圆的一条固定直径的两个端点.那么,当小圆这样滚过大圆内壁的一周,点\(M\)、\(N\)在大圆内所绘出的图形大致是(        )

QQ20151019-1


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   这是一个动态几何问题,涉及的运动很复杂.

QQ20151014-1

如图,对于这个运动,我们考虑将\(MN\to M_1N_1\)的运动分解为

① 小圆在大圆内的转动(将小圆想象为一枚一元硬币,数字始终朝正上方),相当于“公转”;

② 小圆自身的转动,相当于“自转”.

“公转”部分比较简单,设旋转角为\(\theta_1\);

“自转”可以认为是“公转”引起的.在“公转”过程中,接触点经过的长度(弧\(MM_0\)的长度)由“自转”提供(弧\(M_0M_1\)的长度),因此弧\(MM_0\)的长度与弧\(M_0M_1\)的长度相等.(可以逆着滚动过程观察)

因为小圆的半径为大圆半径的\(\dfrac 12\),因此\(\theta_2=2\theta_1\),于是点\(M_1\)在直线\(MN\)上.

又\(M_1N_1\)为直径,因此\(NN_1\perp MN\).这样就得到了所求的轨迹:

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接下来,原问题给的是半径比为\(2:1\)的情形,下面给出当半径比发生变化时的不同轨迹.

如,半径比为\(3:1\)时,是这样的:

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而半径比为\(4:1\)时,是这样的:

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请读者想一想,下面的图对应的半径比是多少?(答案在练习题之后)

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照例给出一道练习题.

(2012年高考山东理科数学第16题)如图,在平面直角坐标系\(xOy\)中,一单位圆的圆心的初始位置在\((0,1)\),此时圆上一点\(P\)的位置在\((0,0)\),圆在\(x\)轴上沿正向滚动.当圆滚动到圆心位于\((2,1)\)时,\(\overrightarrow{OP}\)的坐标为_______.

QQ20151014-2

练习题的答案是\(\left(2-\sin 2,1-\cos 2\right)\).

文中问题答案是\(5:2\).

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