圆滚动问题不再难!抓住“圆心轨迹”这个核心,小白也能变大神 | 阿星数学指南:典型例题精讲
适用年级
几何
难度等级
⭐⭐⭐
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最近更新
2025-12-20
圆滚动问题通关指南:从「小白」到「圆心轨迹」侦探
💡 阿星起步:圆滚动问题 的底层逻辑
想象一下,你是一个圆(比如一个轮胎)。你的心脏、你的中心点,叫做「圆心」。现在你要去「走路」了。
情景一:走直线。 你在一条笔直的马路上滚了一圈。你的圆心(心脏)也走了一条直线。这段直线的长度,神奇地等于你身体的周长。这个很好理解吧?你滚一圈,你的圆心刚好“走”完你身体一圈的长度。公式就是:圆心走的路 \( l \) = 圆的周长 \( 2\pi r \)(\( r \) 是你的半径)。
情景二:绕弯走。 现在,你不是在直路上滚,而是紧贴着另一个圆(比如一枚硬币)的外围滚一圈。你的圆心(心脏)走的还是一条直线吗?当然不是!它走出了一个更大的圆圈轨迹。
关键来了:怎么算圆心这次走了多远?
核心思想是:看圆心轨迹的半径。
你的半径是 \( r \),你绕着那个固定圆的半径是 \( R \)。你俩紧紧贴在一起时,你的圆心到固定圆的圆心的距离,就是 \( R + r \)。
所以,你的圆心走出来的轨迹,就是一个半径为 \( (R + r) \) 的大圆。那么,它绕一圈走的长度,就是这个大圆的周长:\( 2\pi(R + r) \)。
一句话本质:无论圆怎么滚,我们只关心圆心的运动轨迹。把圆心轨迹的长度算出来,问题就解决了!这就是解开所有「圆滚动问题」的万能钥匙。
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】一个半径为 1 cm 的小圆,沿着一个半径为 4 cm 的固定大圆外侧,无滑动地滚动一圈。请问小圆的圆心走了多长的路?
阿星拆解:
1. 抓核心: 我们要求的是小圆圆心轨迹的长度。
2. 找半径: 小圆半径 \( r = 1 \) cm,大圆半径 \( R = 4 \) cm。当小圆紧贴大圆外侧滚动时,小圆圆心轨迹的半径是 \( R + r \)。
3. 代入: 轨迹半径 = \( 4 + 1 = 5 \) (cm)。
4. 计算周长: 圆心轨迹是一个圆,其周长 = \( 2\pi \times 轨迹半径 = 2\pi \times 5 \)。
5. 得出答案: 小圆圆心走的路程 = \( 10\pi \) cm。
看,是不是很简单?我们根本没管小圆自己转了几圈,只关心它的圆心画了多大的圈。
【进阶例题】一个半径为 0.1 m 的轮子,沿着一个半径为 9 dm 的圆形花坛外侧滚动一周。问轮子的圆心移动了多少米?
阿星敲黑板:
陷阱来了! 题目里的长度单位不统一。轮子半径单位是 米 (m),花坛半径单位是 分米 (dm)。直接相加会出错!
化解大法: 统一单位。通常以最终答案要求的单位为准。答案要求“米”,所以我们都换算成“米”。
1. 小圆半径 \( r = 0.1 \) m(已经是米,不用动)。
2. 大圆半径 \( R = 9 \) dm。因为 1 dm = 0.1 m,所以 \( R = 9 \times 0.1 = 0.9 \) m。
3. 现在单位统一了,计算圆心轨迹半径:\( R + r = 0.9 + 0.1 = 1.0 \) (m)。
4. 计算轨迹长度(周长):\( 2\pi \times 1.0 = 2\pi \) (m)。
所以,轮子圆心移动了 \( 2\pi \) 米。牢记:计算前先统一单位!
【拔高例题】一个半径为 \( r \) 的圆,沿着一个边长为 \( 4r \) 的正三角形外侧,从一条边的中点开始,无滑动地滚动,直到回到起点。求圆心经过的路线总长度。
思维迁移:
场景变了!从绕“圆”变成了绕“三角形”。但我们“只关心圆心轨迹”的原则变了吗?一点没变!
1. 画图想象: 当圆紧贴着三角形外围滚动时,它的圆心会保持与三角形各边固定的距离吗?会的!这个距离恰好等于圆的半径 \( r \)。
2. 轨迹是什么? 圆心走的路线,其实就是这个三角形的“等距扩张线”。相当于把三角形的每条边,都向外平移了距离 \( r \),然后在顶点处用圆弧连接(圆弧的圆心是三角形顶点,半径也是 \( r \))。
3. 分段计算:
直线部分: 圆心在每条边旁走的都是直线,长度等于三角形的边长 \( 4r \)。共3条边,总长 \( 3 \times 4r = 12r \)。
拐角部分: 在三角形每个顶点处,圆心走了一段圆弧。这三段圆弧的圆心角各是多少?三角形内角是60度,它的外角就是120度。所以圆心走的每段圆弧,圆心角都是120度(即 \( \frac{2\pi}{3} \) 弧度)。
每段圆弧长 = 弧度 × 半径 = \( \frac{2\pi}{3} \times r \)。3段总长 = \( 3 \times \frac{2\pi}{3}r = 2\pi r \)。
4. 汇总: 圆心路线总长 = 直线部分 + 拐角部分 = \( 12r + 2\pi r = 2r(6 + \pi) \)。
发现了吗?虽然图形复杂了,但我们依然死死抓住“圆心轨迹”这个核心。直边就走直线,拐弯就走圆弧,然后把它们加起来。
📝 阿星必背口诀:
滚动问题不用愁,圆心轨迹是源头。
半径相加求路径,直曲分段算周游。
🚀 举一反三:变式挑战
半径为 2 的小圆,绕半径为 5 的大圆内侧滚动一周(紧贴内壁)。其圆心轨迹长度是多少?(提示:内侧滚动时,圆心轨迹半径是 \( R - r \))
已知一个圆绕半径为 10 cm 的固定圆外侧滚动一周后,其圆心走过的路程为 \( 30\pi \) cm。求这个滚动圆的半径。
一个半径为 1 的圆,从周长为 \( 12 \) 的正方形外部一点开始,紧贴正方形滚动,恰好绕行一周后回到起点。求其圆心经过的路径总长度。(提示:参考三角形例题的思路)
解析与答案
【详尽解析】
入门例题答案: \( 10\pi \) cm。
进阶例题答案: \( 2\pi \) m。
拔高例题答案: \( 2r(6 + \pi) \)。
变式挑战解析:
- 变式一: 内侧滚动,小圆圆心轨迹半径 = 大圆半径 \( R \) - 小圆半径 \( r \) = \( 5 - 2 = 3 \)。轨迹长度 = \( 2\pi \times 3 = 6\pi \)。答案: \( 6\pi \)。
- 变式二: 设滚动圆半径为 \( r \)。根据公式,圆心轨迹长度 \( 2\pi (R + r) = 30\pi \)。代入 \( R=10 \),得 \( 2\pi (10 + r) = 30\pi \)。两边同时除以 \( 2\pi \),得 \( 10 + r = 15 \),所以 \( r = 5 \)。答案: 5 cm。
- 变式三: 正方形边长为 \( 12 \div 4 = 3 \)。圆心轨迹分为:
直线部分: 4条边,每条边上圆心轨迹长 = 正方形边长 = 3,共 \( 4 \times 3 = 12 \)。
拐角部分: 4个顶点,每个顶点处圆心走 \( \frac{\pi}{2} \) 弧度的圆弧(正方形外角90度),圆弧半径 = 圆半径 = 1。总弧长 = \( 4 \times (\frac{\pi}{2} \times 1) = 2\pi \)。
总长: \( 12 + 2\pi \)。答案: \( 12 + 2\pi \)。
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