200道物理学难题——001 三只蜗牛

解法一(面积)

如下图所示,200道物理学难题——001 三只蜗牛代表三只蜗牛的初始位置。

200道物理学难题——001 三只蜗牛

1

经过很短的时间,三只蜗牛分别运动到了200道物理学难题——001 三只蜗牛。因为时间很短所以200道物理学难题——001 三只蜗牛在蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的运动方向上,即200道物理学难题——001 三只蜗牛在直线200道物理学难题——001 三只蜗牛上。同理200道物理学难题——001 三只蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛也分别在200道物理学难题——001 三只蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛上。三只蜗牛的运动速度相等,所以200道物理学难题——001 三只蜗牛,这样三角形200道物理学难题——001 三只蜗牛也是一个等边三角形。

再经过一个很短的时间,三只蜗牛运动到了200道物理学难题——001 三只蜗牛

再经过一个很短的时间,三只蜗牛运动到了200道物理学难题——001 三只蜗牛

……

也就是说:三只蜗牛在运动过程中,始终保持等边三角形的形状。同时,这个等边三角形一边在旋转一边在缩小,当缩小至一个点(重心200道物理学难题——001 三只蜗牛)时三只蜗牛相遇。

现在看看三角形边长、旋转角是如何随时间变化的。

考察三角形的面积,可知:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

边长为200道物理学难题——001 三只蜗牛的等边三角形,其面积为

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式两边微分,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的边长分别为200道物理学难题——001 三只蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛,所以根据上式可知

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛的面积计算公式有两个:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式代入公式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式代入公式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上面两个公式是在200道物理学难题——001 三只蜗牛附近推导得出的,但是同样适用于200道物理学难题——001 三只蜗牛。换句话说就是:在三只蜗牛的运动过程中,上面两个公式是一直都成立的。

根据公式可知三角形边长随时间变化的函数为:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式中的200道物理学难题——001 三只蜗牛表示等边三角形的初始边长,即200道物理学难题——001 三只蜗牛的边长。

200道物理学难题——001 三只蜗牛可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式表明:运动8分钟后,三角形的边长将变为零,此时三只蜗牛相遇于200道物理学难题——001 三只蜗牛点。三只蜗牛各自爬行的路程为200道物理学难题——001 三只蜗牛

200道物理学难题——001 三只蜗牛中重心200道物理学难题——001 三只蜗牛至各个顶点的距离为200道物理学难题——001 三只蜗牛,则

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式代入公式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

对于蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛,以重心200道物理学难题——001 三只蜗牛为极点,200道物理学难题——001 三只蜗牛为极轴建立极坐标系。上式就是蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛在这个极坐标系下的轨迹方程。可见:蜗牛的运动轨迹是对数螺旋曲线。

根据上式可知蜗牛的旋转圈数200道物理学难题——001 三只蜗牛为:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛时,200道物理学难题——001 三只蜗牛。所以三只蜗牛转了无穷圈。

解法二(正弦定理)

参考图1,对200道物理学难题——001 三只蜗牛套用正弦定理,有

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

对上式做进一步化简:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式代入上式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式除以公式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式分别等价于公式。接下来的解法请参考解法一。

解法三(余弦定理)

参考图1,对200道物理学难题——001 三只蜗牛套用余弦定理,有

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式略去二阶微元,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛中,200道物理学难题——001 三只蜗牛边的高为

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式的实质其实还是正弦定理。

上面两个公式相除,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式分别等价于公式。接下来的解法请参考解法一。

解法四(速度分解)

参考下图,对蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的速度进行分解:

200道物理学难题——001 三只蜗牛

2

径向速度使两只蜗牛之间的距离增大或减小,其数值为:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式中的负号表示两只蜗牛之间的距离随时间的增加而变小。

横向速度使等边三角形旋转,其数值为:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上面两个公式相除,可得:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式分别等价于公式。接下来的解法请参考解法一。

解法五(极坐标)

如下图所示,考察蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的运动轨迹。以重心200道物理学难题——001 三只蜗牛为极点,200道物理学难题——001 三只蜗牛为极轴建立极坐标系。

200道物理学难题——001 三只蜗牛

3

参考图1,这个运动轨迹有一个特点,那就是运动方向与极径的夹角始终为200道物理学难题——001 三只蜗牛

把运动速度200道物理学难题——001 三只蜗牛分解为径向速度200道物理学难题——001 三只蜗牛(极径增大为正)与横向速度200道物理学难题——001 三只蜗牛

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式中的200道物理学难题——001 三只蜗牛表示等边三角形的初始边长,即200道物理学难题——001 三只蜗牛的边长。

令上式的200道物理学难题——001 三只蜗牛,可求得

200道物理学难题——001 三只蜗牛

也就是说:三只蜗牛运动8分钟后,将相遇于200道物理学难题——001 三只蜗牛点。三只蜗牛各自爬行的路程为200道物理学难题——001 三只蜗牛

径向速度200道物理学难题——001 三只蜗牛与横向速度200道物理学难题——001 三只蜗牛满足下式

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

将公式代入上式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式两边求定积分,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式表明:蜗牛的运动轨迹是一个对数螺旋曲线。

根据上式可知蜗牛的旋转圈数200道物理学难题——001 三只蜗牛为:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛时,200道物理学难题——001 三只蜗牛。所以三只蜗牛转了无穷圈。

解法六(平面直角坐标)

参考图1,以200道物理学难题——001 三只蜗牛点为原心,建立200道物理学难题——001 三只蜗牛坐标系,如下图所示:

200道物理学难题——001 三只蜗牛

4

参考等边三角形200道物理学难题——001 三只蜗牛。以200道物理学难题——001 三只蜗牛为参照物,200道物理学难题——001 三只蜗牛有两个速度,把这两个速度分解为两个:

一个是平行于200道物理学难题——001 三只蜗牛的纵向速度200道物理学难题——001 三只蜗牛,这个速度使等边三角形200道物理学难题——001 三只蜗牛的边长变小。等边三角形200道物理学难题——001 三只蜗牛的边长随时间变化的函数为

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

一个是垂直于200道物理学难题——001 三只蜗牛的横向速度200道物理学难题——001 三只蜗牛,这个速度使得运动轨迹的切线方位角200道物理学难题——001 三只蜗牛增大,即:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式代入上式,可得:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

假定经过时间200道物理学难题——001 三只蜗牛行驶了距离200道物理学难题——001 三只蜗牛,则:

200道物理学难题——001 三只蜗牛     

根据公式可得曲率与200道物理学难题——001 三只蜗牛之间的关系:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

根据上式可知

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

根据上式可知:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛坐标系内,蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的运动轨迹满足下式

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

根据公式可知

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

公式代入,再代入公式,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

上式两边求定积分,可得

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

可知:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

这是一个什么曲线呢?对公式进行变形,可得:

200道物理学难题——001 三只蜗牛    

200道物理学难题——001 三只蜗牛表示以200道物理学难题——001 三只蜗牛坐标系的原点为极点,200道物理学难题——001 三只蜗牛轴为极轴,建立极坐标系。极坐标系里有一条曲线,极径200道物理学难题——001 三只蜗牛随极角200道物理学难题——001 三只蜗牛变化的函数为200道物理学难题——001 三只蜗牛,这是一条对数螺旋曲线。

200道物理学难题——001 三只蜗牛表示旋转曲线。旋转角为200道物理学难题——001 三只蜗牛,即顺时针旋转曲线200道物理学难题——001 三只蜗牛

200道物理学难题——001 三只蜗牛表示旋转后的曲线再平移。其实就是把极点移动至重心200道物理学难题——001 三只蜗牛

旋转、平移后的螺旋曲线,极点位于重心200道物理学难题——001 三只蜗牛,极轴与200道物理学难题——001 三只蜗牛重合。

200道物理学难题——001 三只蜗牛既是切线方位角,又是极坐标系里的极角,其原因在于:极径与切线的夹角始终为一恒定值(200道物理学难题——001 三只蜗牛)。另一个解释是:参考图1200道物理学难题——001 三只蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的夹角是极角,200道物理学难题——001 三只蜗牛200道物理学难题——001 三只蜗牛的夹角是切线角,这两个角度均等于三角形200道物理学难题——001 三只蜗牛相对于三角形200道物理学难题——001 三只蜗牛的旋转角。

结论

1)运动8分钟后,三只蜗牛相遇;

2)三只蜗牛至相遇时,各自爬行了40cm

3)三只蜗牛的运动轨迹是对数螺旋曲线;

4)三只蜗牛至相遇时,各自转了无穷圈。

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