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,MN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MN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MNM1N1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θ1

“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MM0的长度)由“自转”提供(弧M0M1的长度),因此弧MM0的长度与弧M0M1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12,因此θ2=2θ1,于是点M1在直线MN上.

M1N1为直径,因此NN1MN.这样就得到了所求的轨迹:

test


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:

test

而半径比为4:1时,是这样的:

test

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)

test

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,OP的坐标为_______.

QQ20151014-2

练习题的答案是(2sin2,1cos2)

文中问题答案是5:2

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