1. 建立坐标系:
设正方体棱长为 4。则 A(0,0,0),C(4,4,0),C₁(4,4,4)。旋转轴为 AC₁,其方向向量为 u = (1,1,1)/√3。
2. 轨迹方程推导:
点 C 绕轴旋转的轨迹是一个圆。该圆所在的平面垂直于对角线 AC₁,其方程为:
x + y + z = 8
同时,点 C 到原点 A 的距离保持不变:
x² + y² + z² = 32
3. 范围分析:
由以上两式消元,根据实数存在条件(或柯西不等式)可得:
0 ≤ x, y, z ≤ 16/3
4. 结论:
由于在旋转过程中,点 C 的坐标 x, y, z 始终非负,因此其轨迹完全落在第一卦限(及坐标轴边界上),从未进入其他卦限。故答案选 A。
请在 3D 画面中旋转视角,仔细观察点 C(粉色发光球体)的运动轨迹(粉色圆环)。
你会发现,虽然正方体在旋转时看起来摆动很大,但点 C 的轨迹圆恰好切于三个坐标平面,其坐标值始终大于或等于 0,从未穿透到负半轴区域!