蚂蚁怎么爬最快?动画图解圆柱最短路径问题 | 小学数学攻克秘籍:典型例题精讲
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六年级
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最近更新
2025-12-20
蚂蚁的智慧:破解圆柱最短路径之谜
想象一下,一只小蚂蚁站在一个圆柱形的罐头侧面。它想从脚下这一点,爬到正对面、罐头顶部的另一只蚂蚁朋友那里。它该怎么走最快?是直接往上爬,还是绕着罐头侧面爬一段?今天,我们就化身“蚂蚁工程师”,用一张神奇的“地图”解决这个难题。
💡 阿星解密:为什么公式长这样?
核心奥秘就藏在“化曲为直”四个字里。圆柱的侧面是弯曲的,但如果我们像撕下罐头标签一样,把它平铺开来,它会变成一个长方形!在这个长方形上,蚂蚁的起点A和终点B就变成了两个固定的点。这时候,我们小学就学过的“两点之间,线段最短”就闪亮登场了!连接A、B的这条线段,就是蚂蚁在平面上最短的路径。把这条线段放回圆柱上,它就成为了一条盘旋上升的“螺旋线”。这条螺旋线的长度,正好可以用长方形的长和宽,通过勾股定理计算出来。
👀 看图说话:从立体到平面的神奇变身
关键点拨:
看动画第二步!蚂蚁从圆柱底部的A点爬到顶部对面的B点。在展开图上,A点落在了长方形左下角的A',B点则落在了长方形上边线的某个位置。这个位置为什么在那里?因为蚂蚁要绕到圆柱正对面,所以它在水平方向需要移动的距离是半个底面周长。如果B点就在A的正上方,那么展开后B'就在A'的正上方,路径就是一条竖直线(只爬高)。如果B点需要绕一圈才到,那么展开后B'就在A'的右边一个整周长的位置。所以,“水平方向移动的距离”是解决这类问题的“隐形数字”,它由起点和终点在圆周上的相对位置决定。
🔥 三级跳挑战:从陷阱到精通
【母题演示】一个圆柱高4厘米,底面周长6厘米。一只蚂蚁在圆柱底部(A点),它想爬到正对面(直径另一端)的圆柱顶部(B点)。它爬行的最短路径是多少厘米?
阿星的显微镜(画图验证):
我们把圆柱侧面展开成一个长方形:
长方形的宽 = 圆柱的高 = 4厘米
长方形的长 = 底面周长 = 6厘米
起点A'在长方形左下角。
因为B在A的正对面,所以B'应该在长方形上边线的中点处。
即从A'向右移动 半个周长 (6÷2=3厘米) 到达C点,再从C点垂直向上到B'点。
长方形的上边线:
|←———— 3cm ————→|←———— 3cm ————→|
A' (0,0) C (3,0) (6,0)
↑
| 4cm (高)
B' (3,4)
标准算式:最短路径 = 线段A'B'的长度 = \(\sqrt{(水平距离)^2 + (垂直距离)^2}\) = \(\sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9+16} = \sqrt{25} = 5\) (厘米)。
【易错陷阱】一个圆柱高8厘米,底面周长12厘米。蚂蚁从底部A点出发,需要绕圆柱¾圈(即270°)才能到达顶部的B点。求最短路径。
阿星的避雷针:
大多数人会怎么错:直接用高8厘米加上¾个周长9厘米,错误地认为路径是8+9=17厘米。
图解陷阱:错误思路把立体的螺旋线长度当成了平面上的“折线”长度(先水平走9厘米,再垂直走8厘米)。但在平面上,两点之间的直线距离永远小于折线距离。
正确思路:在展开的长方形(长12cm,宽8cm)上,起点A'在左下角。终点B'在顶部,并且水平方向需要移动¾圈的距离,即 \(12 \times \frac{3}{4} = 9\) 厘米。所以A'的坐标是(0,0),B'的坐标是(9,8)。最短路径 = \(\sqrt{9^2 + 8^2} = \sqrt{81+64} = \sqrt{145} \approx 12.04\) 厘米。
【高手进阶】如图,一个圆柱形的煤气管道,底面半径是1米。在管道的正下方A处有一只检修机器人,它需要以最短的路线爬到管道正上方偏右60°的B处进行作业。已知管道长度(高)为10米,求机器人爬行的最短距离。(π取3.14)
思维迁移:这依然是“蚂蚁爬圆柱”模型!关键在于确定起点和终点在圆周上的圆心角,从而计算出展开图上水平的“隐形距离”。
解析:
- 圆柱高 = 10米(展开图的宽)。
- 底面周长 = \(2 \times π \times 半径 = 2 \times 3.14 \times 1 = 6.28\)米(展开图的长)。
- 确定水平位移:从正下方(270°)到正上方偏右60°(60°)。计算角度差:从270°到360°是90°,再到60°是再加60°,总共150°。或者用更简单的方法:(60° - (-90°)) = 150°。(将正下方视为-90°)。因此,水平方向需要移动圆周长的 \(150°/360° = 5/12\)。
- 水平位移 = 周长 × \(5/12\) = \(6.28 \times 5/12 ≈ 2.617\)米。
- 最短距离 = \(\sqrt{(水平位移)^2 + (高)^2} = \sqrt{2.617^2 + 10^2} ≈ \sqrt{6.85 + 100} ≈ \sqrt{106.85} ≈ 10.34\)米。
📝 阿星的定海神针(口诀):
圆柱表面最短线,侧面展开是关键。
起点终点落两边,勾股定理一线牵。
水平位移看角度,想成蚂蚁最直观。
🚀 举一反三:巩固练习
(基础复现)一个圆柱高5cm,底面周长为8cm。蚂蚁从底部A点爬到顶部正对面的B点(A、B在一条直径的两端)。最短路径是多少厘米?
(陷阱识别)圆柱高6dm,底面周长为15dm。一只瓢虫从侧面中部(高度3dm处)的P点出发,想爬到过P点的母线上方、绕侧面半圈后的Q点。请问瓢虫爬行的最短距离?(提示:展开后,起点不在角上)
(生活应用)如图,一个圆柱形生日蛋糕,底面直径30厘米,高20厘米。在蛋糕的侧面,底部和顶部各镶嵌了一颗草莓(如图,两颗草莓的连线垂直于底面,但不在一条母线上,夹角为120°)。如果用巧克力酱沿着蛋糕侧面连接两颗草莓,最短需要多长的巧克力酱?(π取3)
📚 答案与解析
【答案速查】
- 母题答案:5厘米。
- 易错陷阱答案:\(\sqrt{145} \approx 12.04\)厘米。
- 高手进阶答案:约10.34米。
- 练习一:\(\sqrt{(8\div2)^2 + 5^2} = \sqrt{16+25}=\sqrt{41} \approx 6.40\)厘米。
- 练习二:展开图是一个15dm×6dm的长方形。P‘在左边中点(0,3),Q’在右边中点(15÷2=7.5, 3)。所以最短距离就是水平距离7.5dm。(因为垂直高度差为0)
- 练习三:底面周长=π×直径=3×30=90厘米。高=20厘米。水平位移=周长×(120°/360°)=90×1/3=30厘米。最短路径=\(\sqrt{30^2+20^2}=\sqrt{900+400}=\sqrt{1300}=10\sqrt{13} \approx 36.06\)厘米。
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