问题引入
一架梯子斜靠在墙上。如果把它慢慢放倒,梯子的上端沿墙面下滑、下端沿地面外滑。
梯子的中点在走一条什么样的路线? 直觉上像是"往下掉",但实际上它走的是一段圆弧——而且这段圆弧的圆心就是墙角。
动态观察
拖动梯子的上端 A(它只能在墙面上移动),下端 B 会自动沿地面滑动,梯长保持不变。
- 拖动 A 沿墙面上下移动,注意梯子长度始终不变。
- 盯住侧栏的 OM 与 半个梯长 两行读数,看它们是否始终相等。
- 观察图中由 M 留下的虚线圆弧,以及它的圆心 O(墙角)。
规律发现
设墙角为 O,梯子为 AB(长度固定为 L),M 是 AB 的中点,则:
所以 中点 M 的运动轨迹是以 O 为圆心、½L 为半径的一段圆弧。
梯子长 10,靠在墙上。梯子中点到墙角的距离始终是多少?
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由斜边中线定理,中点 M 是直角三角形 OAB 斜边 AB 的中点,而 ∠O = 90°(墙与地面垂直),所以 OM = ½ AB = ½ × 10 = 5,与梯子的倾斜程度无关。
原理解释
关键在于:无论梯子怎么滑,∠AOB 始终是 90°——墙面与地面互相垂直,这一条永远成立。
于是 △AOB 始终是一个直角三角形,斜边 AB 就是梯子,长度固定为 L;M 是斜边的中点。由斜边中线定理(见「斜边中线」单元):
梯子在动,但"直角 + 斜边中点"这两个条件没变,所以 OM 自然不变,M 只能沿着以 O 为圆心的圆走。
梯子长 12,上端 A 到墙角的距离 OA = 7,则梯子中点到墙角的距离是多少?(只填数字)
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梯子中点到墙角的距离恒为半个梯长,与 OA 的具体值无关,所以是 ½ × 12 = 6。题目给的 OA = 7 是干扰条件。
例题应用
这类"梯子滑动"题的标准问法是:求某个点到定点的距离是否变化、或求线段的最值。
- 先找出图形中永远不变的要素:这里是不变的是梯长与墙角的直角。
- 判断"定点到动点"能否构成直角三角形的斜边中线关系。
- 若能,则中点到直角顶点的距离恒为定值,轨迹是圆弧。
- 求最值时,把问题放到这段圆弧上(或再用两点之间线段最短)来考虑。
梯子滑动过程中,中点到墙角的距离如何变化?
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始终不变。因为墙与地面垂直,△AOB 始终是直角三角形,斜边 AB 就是梯子、长度固定,M 为斜边中点,由斜边中线定理得 OM = ½AB。
互动练习
梯子滑动模型里,哪个条件保证了"斜边中线定理"可以一直使用?
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是"墙面与地面互相垂直",也就是 ∠AOB = 90° 始终成立。另外还需要梯长 AB 不变(梯子是刚体),两者合起来才使 △AOB 始终是斜边固定的直角三角形。
在本单元的画板上,把 A 从最高处慢慢拖到最低处,观察 M 划过的圆弧。这条弧的两个端点分别在哪里?为什么 M 不能走完整圆?
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参考结论:M 只能在上半平面走过一段 90° 的圆弧。当梯子竖直时(A 在最高处、B 与墙角重合)M 在竖直方向的中点;当梯子完全放平时(A 与墙角重合)M 在水平方向的中点。由于 A 只能沿墙面(正方向)、B 只能沿地面(正方向)滑动,M 的横纵坐标都不会为负,所以只能画出以 O 为圆心、半径 ½L 的四分之一圆弧,走不到整圆。