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立体最短路径秒懂攻略:把圆柱“剪开”变成纸,蚂蚁怎么爬最快?:典型例题精讲

适用年级

几何

难度等级

⭐⭐⭐

资料格式

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最近更新

2025-12-20

圆柱表面爬行,最短路径怎么走?一张图秒懂「化曲为直」核心思想!

💡 阿星起步:立体最短路径 的底层逻辑

想象一下,你是一只小蚂蚁,站在一个圆柱形易拉罐的底部边缘(A点)。你的朋友蚂蚁在罐顶正对的边缘(B点)喊你。你怎么爬过去最快?

在圆柱的曲面上,路线弯弯绕绕,很难一眼看出哪条最短。这时候,我们的核心魔法——「化曲为直」就登场了!

本质是什么?就是把三维的、弯曲的问题,降维成我们熟悉的二维平面问题。具体操作:把圆柱的侧面像剥橘子皮一样,沿着一条竖线剪开,平铺成一个长方形。原来在曲面上的A、B两点,现在在这个长方形上有了明确的对应位置。神奇的事情发生了:在平面上,两点之间线段最短!连接这两点的对角线,就是最短路径在展开图上的样子。最后,我们再用勾股定理求出这条对角线的长度即可。所以,它本质上是一个藏在立体图形里的平面直角三角形计算问题

🔥 三级跳挑战:从入门到大神

【入门例题】如图,一个圆柱形蛋糕盒,底面半径 \( r = 3 \) cm,高 \( h = 4 \) cm。一只蚂蚁在侧面外壁的A点(底面圆心正上方),它想吃到顶部边缘正对的B点处的奶油。求蚂蚁爬行的最短路径长度。

(说明:A在底面圆周上,B在顶面圆周上,且A、B在竖直方向正对)

🌱

阿星拆解:

第1步:理解“化曲为直”。我们把圆柱侧面展开,变成一个长方形。

第2步:确定长方形的长和宽。
长方形的 = 圆柱的高 = \( h = 4 \) cm。
长方形的 = 圆柱底面的周长 = \( 2\pi r = 2 \times \pi \times 3 = 6\pi \) cm。

第3步:在长方形上标出A、B两点。
A点在展开图左下角。B点呢?因为A、B在竖直方向正对,所以B点应该在长方形右边那条高的顶端。也就是说,从A到B,蚂蚁横向要走半个周长(即 \( 3\pi \) cm),纵向要走整个高(4 cm)。

第4步:连接对角线,用勾股定理。
最短路径 \( l = \sqrt{(3\pi)^2 + 4^2} = \sqrt{9\pi^2 + 16} \) cm。
取 \( \pi \approx 3.14 \) 计算:\( l \approx \sqrt{9 \times 9.8596 + 16} = \sqrt{88.7364 + 16} = \sqrt{104.7364} \approx 10.23 \) cm。

所以,蚂蚁最短要爬大约10.23厘米。

【进阶例题】一个圆柱形油罐,底面直径为 \( 1 \) 米,高为 \( 2 \) 米。罐体外壁有一根装饰条,从底部(A点)绕罐子半圈后直达顶部(B点)。求这根装饰条的最短长度。

⚠️

阿星敲黑板:

这道题的陷阱在于:1. 给的是直径,不是半径,需要转换。2. 路径是“绕半圈”,这意味着在展开图上,横向距离是半个周长,而不是整个周长。

化解步骤:

第1步:统一并转化数据。
直径 \( d = 1 \) 米,所以半径 \( r = d / 2 = 0.5 \) 米。
高 \( h = 2 \) 米。

第2步:想象展开图。侧面展开为长方形。
宽 = 高 = \( 2 \) 米。
长 = 底面周长 = \( \pi d = \pi \times 1 = \pi \) 米。

第3步:确定A、B在展开图上的位置。
“从底部绕半圈到顶部”,意味着从A(左下角)到B,蚂蚁横向走了半个周长,即 \( \frac{\pi}{2} \) 米;纵向走了整个高,即 \( 2 \) 米。

第4步:勾股定理计算。
最短路径(装饰条长)\( l = \sqrt{(\frac{\pi}{2})^2 + 2^2} = \sqrt{\frac{\pi^2}{4} + 4} \) 米。
取 \( \pi \approx 3.14 \):\( l \approx \sqrt{\frac{9.8596}{4} + 4} = \sqrt{2.4649 + 4} = \sqrt{6.4649} \approx 2.54 \) 米。

【拔高例题】如图,一个长方体房间,长、宽、高分别为 \( a=5 \) 米,\( b=4 \) 米,\( c=3 \) 米。一只蜘蛛在正面墙壁(\( a \times c \) 的面)的中点P(离地1.5米),它想以最短路径爬到对面墙壁(\( a \times c \) 的面)离天花板0.5米处的Q点捕食苍蝇。请问蜘蛛的最短爬行路线长度是多少?(蜘蛛只能沿墙壁爬行)

🚀

思维迁移:

虽然场景从圆柱变成了长方体,但核心思想“化曲为直”完全没变!我们不能直接穿过房间飞过去,只能沿着“曲面”(多个墙面)爬行,所以我们需要把相关的几个墙面展开成一个平面大矩形。

解题逻辑演示:

第1步:分析路线。P在正面墙,Q在背面墙。最短路线可能需要经过天花板地面,也可能经过侧面墙。我们需要比较几种展开方式。

第2步:尝试一种展开(经过天花板)。将正面墙、天花板、背面墙一起展开。形成一个大的长方形。
- 大长方形的 = 房间长 \( a = 5 \) 米。
- 大长方形的 = 高 \( c \) + 宽 \( b \) + 高 \( c = 3+4+3=10 \) 米。
第3步:在展开图上标点。
P在正面墙中点:距离左边沿 \( a/2=2.5 \) 米,距离下边沿(地面)\( 1.5 \) 米。
Q在背面墙:它距离右边沿(另一面侧墙)也是 \( a/2=2.5 \) 米,距离下边沿(天花板)\( 0.5 \) 米。注意,在展开图上,背面墙的“下边沿”对应的是房间的“天花板”。所以,Q点距离我们展开图的上边沿(原地面)是 \( c - 0.5 = 3 - 0.5 = 2.5 \) 米。

第4步:计算这种路径的长度。
现在P、Q在一个平面上。P点坐标可设为 \( (0, 1.5) \), Q点坐标为 \( (5, 10 - 2.5) = (5, 7.5) \)。
路径 \( l_1 = \sqrt{(5-0)^2 + (7.5-1.5)^2} = \sqrt{25 + 36} = \sqrt{61} \approx 7.81 \) 米。

第5步:判断是否最短。我们还需要比较经过地面或侧墙的展开方式。但经过分析,经过天花板或地面的路径是对称的,长度一样。而经过侧墙的路径,横向距离更长,通常不会更短。所以 \( \sqrt{61} \) 米是最短路径之一。本题中它即为所求。

📝 阿星必背口诀:
曲面最短,展成平面;
两点之间,线段最短;
勾股定理,法力无边!

🚀 举一反三:变式挑战

变式一:模仿练习

一个圆柱高 \( 8 \) cm,底面周长 \( 18 \) cm。蚂蚁从底面边缘一点爬到顶部正对的另一点,最短路径多长?

变式二:逆向思维

已知圆柱侧面展开图矩形的对角线长 \( 13 \) dm,高为 \( 5 \) dm。求圆柱的底面半径。

变式三:综合挑战

一圆锥母线长 \( 10 \) cm,底面半径 \( 6 \) cm。从底面圆周一点A,沿侧面绕圆锥一周后回到A点的正上方母线中点B。求最短路径。(提示:圆锥侧面展开是扇形)


解析与答案

【详尽解析】

入门例题:最短路径约为 \( 10.23 \) cm。

进阶例题:装饰条最短长度约为 \( 2.54 \) 米。

拔高例题:蜘蛛最短爬行路线为 \( \sqrt{61} \approx 7.81 \) 米。

举一反三解析:
1. 变式一:长方形宽\( 8 \) cm,长\( 18 \) cm。A在左下角,B在右边高的顶端,横向走半周长 \( 9 \) cm。路径 \( l = \sqrt{9^2+8^2}=\sqrt{81+64}=\sqrt{145} \approx 12.04 \) cm。
2. 变式二:对角线 \( l=13 \),高 \( h=5 \)。设底面周长为 \( C \),则在展开图中有 \( 13^2 = 5^2 + (C/2)^2 \)(因为走半圈)。解得 \( C=24 \) dm。半径 \( r = C/(2\pi) = 24/(2\pi) = 12/\pi \approx 3.82 \) dm。
3. 变式三(核心提示):本题将“化曲为直”应用到圆锥。将圆锥侧面沿过A点的母线剪开,展开成扇形。扇形的半径=母线长\( 10 \) cm,弧长=底面周长\( 12\pi \) cm。绕一周再爬到B点,在展开图上相当于从扇形一边缘A点,走到扇形另一边缘(相距弧长\( 12\pi \))上的B点(在半径中点,距圆心\( 5 \) cm)。连接A、B的线段即为最短路径,利用扇形圆心角和余弦定理可求解。

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