瓜豆模型:主从联动的轨迹相似

瓜豆模型研究主动点沿确定轨迹运动时,从动点的轨迹问题:两动点与定点之间保持定角、定比(旋转加缩放),则从动点的轨迹与主动点的轨迹形状相同,长度成定比。

结构:定点 AA,主动点 PP 沿确定轨迹运动,从动点 QQ 始终满足 ∠PAQ=α\angle PAQ=\alpha(定角)、AQ=k⋅APAQ=k\cdot AP(定比)。

标准形:已知定点 AA、定角 α\alpha、定比 kk,PP 在轨迹 Γ\Gamma 上运动,QQ 由 APAP 绕 AA 旋转 α\alpha 并缩放 kk 倍得到,求 QQ 的轨迹。

适用前提与边界条件

  1. 定点 AA、主动点 PP、从动点 QQ 必须始终满足 ∠PAQ\angle PAQ 为定角、AQ:APAQ:AP 为定比两个条件,缺一不可
  2. 定角为 0°0° 或 180°180° 时三点共线,仍是瓜豆模型(纯缩放);定比为 11 时退化为纯旋转(手拉手)

求解策略

  1. 找定点:确定主从结构共同的旋转中心 AA
  2. 验两定:验证 ∠PAQ\angle PAQ 恒定、AQ:APAQ:AP 恒定
  3. 变基准:把轨迹的基准点(圆心或直线上的参照点)作同样的旋转缩放,得到新轨迹的基准点
  4. 定轨迹:QQ 与 PP 轨迹形状相同、长度成 kk 倍,再按起止位置截取对应段

模型结构

如图, 是定点, 是沿某确定轨迹运动的主动点, 是由 生成的从动点:在运动全过程中,夹角 始终等于定角 ,比值 始终等于定比 。虚线 只是连接主、从动点的辅助线。

AQP
定点 A,主动点 P 与从动点 Q 始终保持定角 ∠PAQ、定比 AQ:AP,虚线 PQ 为辅助线

换句话说,从 到 是一个固定的几何变换:绕 旋转定角 ,再放大(或缩小) 倍。这种「旋转+缩放」的复合变换叫旋转位似。

核心结论与推导

结论:若主动点 的轨迹是直线(或圆),则从动点 的轨迹也是直线(或圆),两轨迹形状相同;轨迹长度满足

证明(以圆形轨迹为例):设 在以 为圆心、 为半径的圆上运动。把半径 连同点 一起绕 旋转 、缩放 倍,点 的对应点记为 ,点 的对应点正是 。

由旋转位似, 与 满足两边成比例、夹角相等:

故 ,于是 为定值。所以 在以 为圆心、 为半径的圆上运动。直线轨迹的情形同理(旋转位似把直线变成直线)。

「种瓜得瓜,种豆得豆」:主动点走出什么形状,从动点就走出什么形状。

典例精析

例:如图,定点 ,动点 在定直线 上运动,以 为一边作 ,并使 (旋转方向固定)。若 在 上走过的路径长为 ,求 的路径长。

解:运动中 为定角、 为定比,符合瓜豆模型。 的轨迹是直线,故 的轨迹也是直线;定比 ,所以

常见变式

  1. 共线缩放型:(、、 共线),此时 在射线 上按固定比例分取, 的轨迹直线与 所在直线平行(或重合),两轨迹相似。
  2. 圆形轨迹+最值型: 在定圆上运动, 的轨迹也是圆,求 到某定点或直线的距离最值时,用「圆心距加半径」处理。
  3. 定比为 型: 时只有旋转没有缩放, 的轨迹与 的轨迹全等,这就是手拉手模型的动态版本。

对比与联系

模型动点关系变换轨迹结论
瓜豆 主动、 从动旋转+缩放轨迹形状相同,长度成定比
手拉手两个图形共顶点纯旋转()对应边相等,拉手线等长
旋转相似两个静态三角形共点旋转相似拉手线成定比、夹定角
阿氏圆一动点对两定点到两定点距离定比动点轨迹本身是圆

正例与反例

✅ 正例

  • PP 在直线上运动,∠PAQ=90°\angle PAQ=90° 且 AQ=12APAQ=\tfrac{1}{2}AP,则 QQ 的轨迹也是直线,路径长是 PP 路径长的一半

❌ 反例

  • 题目中 PP、QQ 各自独立运动、与定点之间没有固定夹角时,不能套用瓜豆模型

高频误解与考试易错

  • 只盯动点猜轨迹:必须先找到「定点+定角+定比」的主从结构,再用变换确定轨迹,不能凭感觉画圆
  • 轨迹长度算成原长:从动点路径长等于主动点路径长乘以定比 kk;整条路径的位置还绕 AA 旋转了定角 α\alpha,不能只缩放不转向
  • 漏掉起止位置:轨迹是线段还是圆弧、取整段还是其中一段,要由主动点的起止位置同步确定

常见问题

为什么叫「瓜豆」?
取「种瓜得瓜,种豆得豆」之意:主动点(种子)走什么形状的轨迹,从动点(果实)就收获什么形状的轨迹——直线得直线,圆得圆。
怎么判断谁是主动点、谁是从动点?
沿题目给定轨迹运动的点是主动点 PP;由它经过固定几何构造(旋转、缩放)得到的点是从动点 QQ。定点 AA 是构造的旋转中心。
定比一定小于 1 吗?
不一定。定比 kk 为任意正数:k>1k>1 轨迹放大,k<1k<1 轨迹缩小,k=1k=1 是全等旋转(手拉手模型)。

依据与出处

  • 人教版(2024 审定)九年级上册 第二十八章《旋转》(2026 秋起使用)
  • 人教版(2024 审定)九年级下册 第三十一章《相似》(2027 春起使用;位似变换)