Question

如圖，正三角形ABC的邊長為6厘米，⊙O的半徑為r厘米，當圓心O從點A出發(fā)，沿著線路AB-BC-CA運動，回到點A時，⊙O隨著點O的運動而移動．
（1）若r=厘米，求⊙O首次與BC邊相切時，AO的長．
（2）在⊙O移動過程中，從切點的個數(shù)來考慮，相切有幾種不同的情況寫出不同情況下X的取值范圍及相應的切點個數(shù)．
（3）設⊙O在整個移動過程中，在△ABC內(nèi)部、⊙O未經(jīng)過的部分的面積為S，在S＞0時，求S關于r的函數(shù)解析式，并寫出自變量r的取值范圍．

Answer 1

解：（1）設⊙O首次與BC相切于點D，則有OD⊥BC．
且OD=r=．
在直角三角形BDO中，
∵∠OBD=60°，
∴OB==2．
∴AO=AB-OB=6-2=4（厘米）；

（2）由正三角形的邊長為6厘米．可得出它的一邊上的高為3厘米．
①當⊙O的半徑r=3厘米時，⊙O在移動中與△ABC的邊共相切三次，即切點個數(shù)為3；
②當0＜r＜3時，⊙O在移動中與△ABC的邊相切六次，即切點個數(shù)為6；
③當r＞3時，⊙O與△ABC不能相切，即切點個數(shù)為0．

（3）如圖，易知在S＞0時，⊙O在移動中，在△ABC內(nèi)部為經(jīng)過的部分為正三角形．
記作△A′B′C′，這個正三角形的三邊分別于原正三角形三邊平行，且平行線間的距離等于r．
連接AA′，并延長AA′，分別交B′C′，BC于E，F(xiàn)兩點．
則AF⊥BC，A′E⊥B′C′，且EF=r．
又過點A′作A′G⊥AB于G，則A′G=r．
∵∠GAA′=30°，
∴AA′=2r．
∴△A′B′C′的高A′E=AF-3r=3-3r，
B′C′=A′E=2（-r）．
∴△A′B′C′的面積S=B′C′•A′E=3（-r）²．
∴所求的解析式為S=3（-r）²（0＜r＜3）．
分析：（1）求AO的關鍵是求出BO，如果設與BC相切時切點為D的話，可在直角三角形BOD中用半徑的長和∠ABC的正弦值求出BO的長，也就能求出AO的長了．
（2）考慮直線與圓的位置，只需考慮半徑的長以及圓心到直線的距離即可．
當圓的半徑正好等于等邊三角形的高的時候，那么只有圓心在等邊三角形三個頂點時，圓才與等邊三角形相切；
當圓的半徑小于高時（半徑應大于0），在每一條邊運動時都要與三角形的兩邊相切即切點有兩個，那么走完3條邊后切點應有6個；
當圓的半徑大于高的時候，圓與三角形的三邊相交或三角形在圓內(nèi)，因此沒有切點．
（3）本題的關鍵是求出內(nèi)部三角形的邊和相應的高．
根據(jù)題意我們不難得出內(nèi)部的三角形應該和三角形ABC相似，即內(nèi)部的三角形也應該是等邊三角形．
如果設這個三角形為A′B′C′，那么可作出三角形ABC和A′B′C′的高來求解．
連接AA′并延長其交B′C′，BC于E，F(xiàn)，那么A′E就應該是內(nèi)部三角形的高，如果求出了高就可以通過三角函數(shù)求出內(nèi)部三角形的邊長也就能求出它的面積，因此求A′E長就是解題的關鍵．
我們觀察后發(fā)現(xiàn)，EF=r，而AF可以在三角形ABC中求出，那么關鍵是求A′A，可通過構建直角三角形求解．
過A′作A′G⊥AB于G，那么A′G=r，那么我們可根據(jù)∠A′AG的度數(shù)用三角函數(shù)和r表示出AA′，這樣就能求出A′E和內(nèi)部三角形的邊長了，那么根據(jù)三角形的面積公式就能得出關于S，r的函數(shù)解析式了．
點評：本題主要考查了直線與圓的位置關系、等邊三角形的性質(zhì)、解直角三角形等多個知識點．