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小白数学课堂 · 几何实验 01

什么形状的车轮,滚起来最平稳?

比较三种车轮中心点的轨迹,看看谁最平稳。

观察中心点会不会上下跳

实验 A

让三种车轮一起出发

彩色线就是中心点留下的运动轨迹。

兔白白领跑员 兔白白陪你等候,点击「开始实验」一起跑

正方形车轮

中心忽高忽低,起伏最大

最低高度 0.707R
正方形车轮中心点的轨迹是一串起伏明显的圆弧。

正十二边形车轮

中心只有一点点起伏,已经很接近直线

最低高度 0.966R
正十二边形车轮中心点的轨迹是一串很浅的小圆弧。

圆形车轮

中心高度不变,轨迹是一条水平直线

始终保持 1.000R
圆形车轮中心点的轨迹是一条水平直线。

理想状态下,地面平直,轮子不打滑、不弹跳。三种车轮从中心到最远处的距离 R 相同,比较才公平。

实验已就绪,点击开始实验,兔白白会在车轮前方领跑。

实验结论

边越多,中心轨迹越平;
圆没有角,所以最平稳。

正多边形会依次绕前方顶点“翻过去”,所以中心画出一段段圆弧。

正方形
很颠
正十二边形
轻微
圆
平稳

再想一步

为什么车轮通常做成圆形?

因为圆心到地面的距离一直等于半径,车轴不会上下跳,车上的人和物品就能平稳前进。

给爱钻研的你:最低点有多高?

正 n 边形平放一条边时,中心最低。最低高度是 R × cos(π ÷ n);翻到一半时,中心最高,高度是 R。

n 越大,cos(π ÷ n) 越接近 1,所以起伏越来越小。边数多到“无限多”,就变成了圆。

教学说明:车轮为什么是圆的

这节互动实验用三种车轮一起滚动,让学生亲眼看到“为什么车轮是圆的”:正多边形车轮滚动时中心忽高忽低,边数越多越平稳,而圆形车轮的中心始终在一条水平线上。

学习目标

  1. 观察并描述三种车轮中心的运动轨迹
  2. 理解正多边形车轮的中心为什么会上下起伏:它绕着前面的顶点“翻过去”
  3. 用“圆心到圆上任意一点的距离都等于半径”解释车轮为什么做成圆形

课堂上怎么用

  1. 先猜一猜:哪种车轮让车上的人坐着最舒服?让学生先说理由
  2. 一起出发:点“开始实验”,看三种车轮中心留下的彩色轨迹
  3. 比较最低高度:正方形中心最低只有 0.707R,正十二边形是 0.966R,圆始终是 1R
  4. 说结论:边越多,中心轨迹越平;圆没有角,所以最平稳

常见问题

车轮为什么是圆的?

因为圆心到圆上任意一点的距离都等于半径。车轴装在圆心,车轮滚动时车轴到地面的距离一直不变,车就能平稳前进。

正方形车轮滚动时,中心最低有多高?

设中心到顶点的距离为 R,正方形车轮一条边平放在地上时中心最低,高度是 R × cos45° ≈ 0.707R。正十二边形是 R × cos15° ≈ 0.966R。

这节课适合放在哪里讲?

适合在学习“圆的认识”时作为引入或拓展,帮助学生理解圆的特征和它在生活中的用处。

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