题目
我国“复兴号”高铁列车是世界上运营速度最快的轮轨列车.在平直的铁轨上停着一辆“复兴号”高铁列车,列车与铁轨上表面接触的车轮半径为R,且某个车轮上的点P刚好与铁轨的上表面接触,若该列车行驶了距离s,则此时P到铁轨上表面的距离为( )A. Rsin(s)/(R)B. 2Rsin(s)/(R)C. R((1-cos(s)/(R)))D. R((1+cos(s)/(R)))
我国“复兴号”高铁列车是世界上运营速度最快的轮轨列车.在平直的铁轨上停着一辆“复兴号”高铁列车,列车与铁轨上表面接触的车轮半径为R,且某个车轮上的点P刚好与铁轨的上表面接触,若该列车行驶了距离s,则此时P到铁轨上表面的距离为( )
- A. $Rsin\frac{s}{R}$
- B. $2Rsin\frac{s}{R}$
- C. $R({1-cos\frac{s}{R}})$
- D. $R({1+cos\frac{s}{R}})$
题目解答
答案
解:当列车行驶的距离为s时,则车轮转过的角度所对应的扇形弧长为s,
∴车轮转过的角度为$\frac{s}{R}$,P点的初始位置为P0,
设车轮的中心为O,
当$\frac{s}{R}∈({0,\frac{π}{2}})$时,作PQ⊥OP0,垂足为Q,如下图所示,

则OQ=OP$•cos\frac{s}{R}$=Rcos$\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为${P_0}Q=R-R⋅cos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}∈({\frac{π}{2},π})$时,PM⊥MP0,作ON⊥PM,垂足为N,如下图所示,

则PN=OP•sin($\frac{s}{R}-\frac{π}{2}$)=-Rcos$\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为$PM=R-Rcos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}∈({π,\frac{{3π}}{2}})$时,PM⊥MP0,作ON⊥MP,垂足为N,如下图所示,

则$PN=OP⋅sin({\frac{{3π}}{2}-\frac{s}{R}})=-Rcos\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为$PM=R-Rcos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}∈({\frac{{3π}}{2},2π})$时,作PQ⊥OP0,垂足为Q,如下图所示,

则OQ=OP$•cos(2π-\frac{s}{R})$=Rcos$\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为${P_0}Q=R-R⋅cos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}=0$或$\frac{π}{2}$或π或$\frac{{3π}}{2}$时,P到铁轨表面的距离满足$R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}≥2π$时,点P到铁轨表面的距离为$R[{1-cos({\frac{s}{R}-2kπ})}]=R({1-cos\frac{s}{R}})$,k∈Z,
综上所述:点P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$.
故选:C.
∴车轮转过的角度为$\frac{s}{R}$,P点的初始位置为P0,
设车轮的中心为O,
当$\frac{s}{R}∈({0,\frac{π}{2}})$时,作PQ⊥OP0,垂足为Q,如下图所示,

则OQ=OP$•cos\frac{s}{R}$=Rcos$\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为${P_0}Q=R-R⋅cos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}∈({\frac{π}{2},π})$时,PM⊥MP0,作ON⊥PM,垂足为N,如下图所示,

则PN=OP•sin($\frac{s}{R}-\frac{π}{2}$)=-Rcos$\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为$PM=R-Rcos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}∈({π,\frac{{3π}}{2}})$时,PM⊥MP0,作ON⊥MP,垂足为N,如下图所示,

则$PN=OP⋅sin({\frac{{3π}}{2}-\frac{s}{R}})=-Rcos\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为$PM=R-Rcos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}∈({\frac{{3π}}{2},2π})$时,作PQ⊥OP0,垂足为Q,如下图所示,

则OQ=OP$•cos(2π-\frac{s}{R})$=Rcos$\frac{s}{R}$,
∴P到铁轨表面的距离为${P_0}Q=R-R⋅cos\frac{s}{R}=R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}=0$或$\frac{π}{2}$或π或$\frac{{3π}}{2}$时,P到铁轨表面的距离满足$R({1-cos\frac{s}{R}})$;
当$\frac{s}{R}≥2π$时,点P到铁轨表面的距离为$R[{1-cos({\frac{s}{R}-2kπ})}]=R({1-cos\frac{s}{R}})$,k∈Z,
综上所述:点P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$.
故选:C.
解析
步骤 1:确定车轮转过的角度
当列车行驶的距离为s时,车轮转过的角度所对应的扇形弧长为s,因此车轮转过的角度为$\frac{s}{R}$。
步骤 2:分析不同角度下的P点位置
- 当$\frac{s}{R}∈({0,\frac{π}{2}})$时,P点在车轮的上半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}∈({\frac{π}{2},π})$时,P点在车轮的下半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}∈({π,\frac{{3π}}{2}})$时,P点在车轮的下半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}∈({\frac{{3π}}{2},2π})$时,P点在车轮的上半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}=0$或$\frac{π}{2}$或π或$\frac{{3π}}{2}$时,P到铁轨表面的距离满足$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}≥2π$时,点P到铁轨表面的距离为$R[{1-cos({\frac{s}{R}-2kπ})}]=R({1-cos\frac{s}{R}})$,k∈Z。
步骤 3:总结P点到铁轨表面的距离
综上所述,点P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
当列车行驶的距离为s时,车轮转过的角度所对应的扇形弧长为s,因此车轮转过的角度为$\frac{s}{R}$。
步骤 2:分析不同角度下的P点位置
- 当$\frac{s}{R}∈({0,\frac{π}{2}})$时,P点在车轮的上半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}∈({\frac{π}{2},π})$时,P点在车轮的下半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}∈({π,\frac{{3π}}{2}})$时,P点在车轮的下半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}∈({\frac{{3π}}{2},2π})$时,P点在车轮的上半部分,此时P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}=0$或$\frac{π}{2}$或π或$\frac{{3π}}{2}$时,P到铁轨表面的距离满足$R({1-cos\frac{s}{R}})$。
- 当$\frac{s}{R}≥2π$时,点P到铁轨表面的距离为$R[{1-cos({\frac{s}{R}-2kπ})}]=R({1-cos\frac{s}{R}})$,k∈Z。
步骤 3:总结P点到铁轨表面的距离
综上所述,点P到铁轨表面的距离为$R({1-cos\frac{s}{R}})$。