解题思路:(1)当k=1时,得出正方形的边长为π+2,然后当圆O在边AB上运动时,圆心O运动的路程为正方形的边长减去圆的直径;当圆O在BC边上运动时,圆心O运动的路程为2π;当圆O在CD边上运动时,同理圆心O的路程为π;当圆O在AD边边上运动时,圆心O运动的路程为2π,计算出总路程,除以圆的周长可得出圆转动的圈数;当k=2时,得出正方形的边长为2π+2,然后当圆O在边AB上运动时,圆心O运动的路程为正方形的边长减去圆的直径,即为2π;当圆O在BC边上运动时,圆心O运动的路程为3π;当圆O在CD边上运动时,同理圆心O的路程为2π;当圆O在AD边边上运动时,圆心O运动的路程为3π,计算出总路程,除以圆的周长可得出圆转动的圈数;同理当n=k时,归纳得到圆运动的圈数为2n+1;
(2)如图,连接OE,OF,可得出四边形OEBF为边长为1的正方形,用正方形的面积减去扇形OEF的面积,可得出不规则图形BEF的面积,然后由大正方形ABCD的面积-小正方形A′B′C′D′的面积-4图形BEF的面积,可得出圆O滚过的面积.
(1)∵圆O的半径为1,k=1时正方形的边长为π+2,
∴当圆O从开始到与BC边相切时,圆心O走过的路程为π+2-2=π;
当圆O从与AB边相切到与DC边相切时,圆心O走过的路程为2π;
当圆O与BC相切到与AD边相切时,圆心O走过的路程为π;
当圆O从与DC边相切到与AB边相切时,圆心O走过的路程为2π,
∴圆心O走过的总路程为6π,又圆的周长为2π,
∴当k=1时,⊙O从开始滚动到停止,共滚动了3圈;
∵圆O的半径为1,k=2时正方形的边长为2π+2,
∴当圆O从开始到与BC边相切时,圆心O走过的路程为2π;
当圆O从与AB边相切到与DC边相切时,圆心O走过的路程为3π;
当圆O与BC相切到与AD边相切时,圆心O走过的路程为2π;
当圆O从与DC边相切到与AB边相切时,圆心O走过的路程为3π,
∴圆心O走过的总路程为10π,
又圆的周长为2π,
∴当k=2时,⊙O从开始滚动到停止,共滚动5圈;
同理:当k=n时,⊙O从开始滚动到停止,共滚动(2n+1)圈.
故答案为:3,5,2n+1;(9分)
(2)如图,连接OE,OF,
∵S四边形ABCD-S四边形A'B'C'D′=(nπ+2)2-(nπ-2)2
=[(nπ+2)+(nπ-2)][(nπ+2)-(nπ-2)]
=2nπ×4
=8nπ,(14分)
且S图形EFB=S正方形OEBF-S扇形OEF=12-
90π•12
360=1-[π/4],
则⊙O滚过的面积S=S四边形ABCD-S四边形A'B'C'D′-4S图形EFB=8nπ-4(1-[π/4])=8nπ+π-4.(18分)
点评:
本题考点: 切线的性质;正方形的性质;扇形面积的计算.
考点点评: 此题考查了切线的性质,正方形的性质,扇形面积公式,锻炼了学生归纳总结,灵活转化的能力,是一道综合性较强的试题,要求学生掌握知识要全面.其中不规则图形面积可以用规则图形相加减来求,也可以通过平移,旋转,拼割等方法来求.