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动态几何问题大都属于一类以几何图形为载体,以运动变化为特征,经几何图形中各元素间存在的关系为特点的综合题型.从其运动对象及形式来分析,动态几何问题可分成点动型、线动型与面动型三种;而从数学实践的操作层面上来分类,则又可分为对称型、平移型、旋转型、翻折型等几种.解决动态几何问题的策略是“化动为静,以静制动”,即要抓住变化中的“不变因素”,做到以“不变应万变”.具体讲,就是要用运动变化的眼光去观察、研究、把握动点的运动与变化过程,通过变量与常量的分析,从中猜想、探索、发现、归纳出某种等量关系及变化规律,建立合适的函数、方程或不等式模型,找出解决问题的最佳途径.下面结合动态几何的三种常见题型具体分析其解法.
一、点动型
例1如图1,已知⊙O的半径为6 cm,射线PM经过点O,
OP=10 cm,射线PN与⊙O相切于点Q.A、B两点同时从点P出发,点A以5 cm/s的速度沿射线PM方向运动,点B以4 cm/s的速度沿射线PN方向运动.设运动时间为t.
(1)求PQ的长;
(2)当t为何值时,直线AB与⊙O相切?
分析:本题属于多动点型, A点与B点的运动,使直线AB与⊙O的位置关系发生了一个相离、相切、相交,再到相切、相交的变化过程.因此,要解决问题(2),还必须要运用分类讨论的数学思想,才能正确解决问题.
解:(1)如图2,连接OQ.知△PQO为直角三角形,故有
PQ=
OP2-OQ2
=102-62=8.
(2)过点O作OC⊥AB,垂足为
C.因为点A的运动速度为5 cm/s,点B的运动速度为4 cm/s,运动时间为t ,即有
PA=5t,PB=4t.
所以PAPO=
PBPQ.
因为∠P=∠P,所以△PAB∽△POQ.
所以∠PBA=∠PQA=
90°.
因为∠BQO=∠CBQ=∠OCB=90°,
所以四边形OCBQ为矩形.所以BQ=OC.因为圆O的半径为6,
所以BQ=OC=6
时,直线AB与⊙O相切.
①当AB运动到如图2所示的位置时,有BQ=PQ-PB=8-4t.由
BQ=6,得
8-4t=6.解得
t=0.5 (s).
[TP<4T2
.tif>,BP#][TS(][HT5”SS][JZ]图2图3
[TS)]
②当AB运动到如图3所示的位置时,有
BQ=PB-PQ=4t-8.由BQ=6,得
4t-8=t
.解得
t=3.5(s).
所以,当t为0.5 s或3.5 s时直线AB与⊙O相切.
点评:动点问题总是在一点或多个动点的运动变化过程中,伴随着等量关系、变量关系、图形本身的特殊状态与图形间的特殊关系的变化.解决这类题型,往往需要结合几何与代数的基础知识,利用几何图形的性质(如勾股定理、相似的判定、圆与直线的位置关系等)和列代数式、列方程等知识解决问题.
二、线动型
例2如图4,在平面直角坐标系中,四边形OABC是矩形,点B的坐标为(4,3).平行于对角线AC的直线m从原点O出发,沿x轴正方向以每秒1个单位长度的速度运动,设直线m与矩形OABC的两边分别交于点M、N,直线m运动的时间为t(秒).
(1) 点A的坐标是,点C的坐标是;
(2) 当t=秒或 秒时,MN=
12AC;
(3)设△OMN的面积为S,求S与t的函数关系式;
(4) 探求(3)中得到的函数S有没有最大值?若有,求出最大值;若没有,要说明理由.
分析:有了问题(2)的提示,我们不难想到用分类讨论的思想来解决问题(3),本题的难点在于问题(4)又综合了存在型问题的特点,需要我们先来进行大胆的猜想,然后再去探索、发现、归纳,需要注意的是,解决这个问题,仍然需要运用分类讨论在0 解:(1)(4,0),(0,3); (2) 2,6;
(3) 本题需要分类讨论:①当0 OMOA
=ONOC
,所以 ON=
34t
,S=
38t2; ②当4 34
BN
=6-
34t,所以 AM=
34(t-4).因为OD=t,所以 AD= t-4. 所以
S=S矩形OABC
-SRt△OAM-SRtMBN
-SRt△NCO
=12-32(t-4)-
12
(8-t)(6-34t)
-32
(t-4)=-38
t2+3t.
(4) 有最大值.理由:①当0 38t2的开口向上,在对称轴t=0的右边, S随t的增大而增大,所以 当t=4时,S可取到最大值
38
×42
=6; ②当4 t2+3t
的开口向下,其顶点是(4,6),所以 S<6.综上,当t=4时,S有最大值6.
点评:线动性题型近年来考查最多,且一般都作为中考压轴题出现.解决这类问题,图形的结构分析显得特别重要.而“由数思形,以形促数”的数学思想,可以为我们开辟了一个多角度、多层次的解题思维途径.
三、面动型
例3如图6,抛物线y=ax2-3ax+b经过A(-1,0),C(3,2)两点,与y轴交于点D,与x轴交于另一点B.
(1)求此抛物线的解析式;
(2)若直线y=kx-1(k≠0)将四边形ABCD面积二等分,求k的值;
(3)如图7,过点E(1,-1)作EF⊥x轴于点F,将△AEF绕平面内某点旋转180°后得△MNQ(点M,N,Q分别与点A,E,F对应),使点M,N在抛物线上,求点M,N的坐标.
分析:如图8,由于经过点A(-1,0)与点C(3,2),因而可以直接通过待定系数法的方法,求出抛物线的解析式;解决问题(2)则必须通过数形结合的思想方法考虑构建方程求解,由于有H(
1k,0)、T(
3k,2),根据
S梯形AHTD=
12S梯形ABCD,不难得到
12(3k+
1k+1)×2=4,从而求出k=
43;问题(3)中,我们可以由题意知AN与EM实际是关于某一点的中心对称,因而自然就有四边形AEMN为平行四边形,利用平行四边形的相关性质,确定出M、N这两组有序实数间的相互关系,然后代入抛物线的解析式,则可求解.
解:(1)因为抛物线
y=ax2-3ax+b
过A(-1,0)、C(3,2), 所以 0=a+3a+b,2=9a-9a+b. 解得a=
-12,b=2, 所以 抛物线解析式
y=-12x2+32x+2.
(2)由y=-
12
x2+32x
+2得B(4,0)、D(0,2). 所以CD∥AB.所以
S△ABCD=
12(5+3)×2=8.设直线
y=kx-1交AB、CD于点H、T,则H(
1k,0)、T(
3k,2).因为直线
y=kx-1平分四边形ABCD的面积,所以
S梯形AHTD=
12S梯形ABCD=4.
所以
12
(3k
+1k+1)×2=4
.所以
k=43. 所以当
k=34时,直线
y=kx-1(k≠0)将四边形ABCD面积二等分.
(3)由题意知,四边形AEMN为平行四边形, 所以AN∥EM且AN=EM. 因为E(1,-1)、A(-1,0), 设M(m,n),则有N(m-2,n+1).而M、N在抛物线上, 即有
n=-12m2+32m+2,
n+1=-12(m-2)2+32
(m-2)+2, 解之得:m=3,n=2.所以M(3,2),N(1,3).
点评:本题是一道以旋转为载体的坐标几何题.中考中的坐标几何题,融丰富的几何图象于一题,包含的知识点较多.而代数变换(包括数式变换、方程变换、不等式变换)与几何推理的巧妙融合,更使数形结合的数学思想得到充分运用.
一、点动型
例1如图1,已知⊙O的半径为6 cm,射线PM经过点O,
OP=10 cm,射线PN与⊙O相切于点Q.A、B两点同时从点P出发,点A以5 cm/s的速度沿射线PM方向运动,点B以4 cm/s的速度沿射线PN方向运动.设运动时间为t.
(1)求PQ的长;
(2)当t为何值时,直线AB与⊙O相切?
分析:本题属于多动点型, A点与B点的运动,使直线AB与⊙O的位置关系发生了一个相离、相切、相交,再到相切、相交的变化过程.因此,要解决问题(2),还必须要运用分类讨论的数学思想,才能正确解决问题.
解:(1)如图2,连接OQ.知△PQO为直角三角形,故有
PQ=
OP2-OQ2
=102-62=8.
(2)过点O作OC⊥AB,垂足为
C.因为点A的运动速度为5 cm/s,点B的运动速度为4 cm/s,运动时间为t ,即有
PA=5t,PB=4t.
所以PAPO=
PBPQ.
因为∠P=∠P,所以△PAB∽△POQ.
所以∠PBA=∠PQA=
90°.
因为∠BQO=∠CBQ=∠OCB=90°,
所以四边形OCBQ为矩形.所以BQ=OC.因为圆O的半径为6,
所以BQ=OC=6
时,直线AB与⊙O相切.
①当AB运动到如图2所示的位置时,有BQ=PQ-PB=8-4t.由
BQ=6,得
8-4t=6.解得
t=0.5 (s).
[TP<4T2
.tif>,BP#][TS(][HT5”SS][JZ]图2图3
[TS)]
②当AB运动到如图3所示的位置时,有
BQ=PB-PQ=4t-8.由BQ=6,得
4t-8=t
.解得
t=3.5(s).
所以,当t为0.5 s或3.5 s时直线AB与⊙O相切.
点评:动点问题总是在一点或多个动点的运动变化过程中,伴随着等量关系、变量关系、图形本身的特殊状态与图形间的特殊关系的变化.解决这类题型,往往需要结合几何与代数的基础知识,利用几何图形的性质(如勾股定理、相似的判定、圆与直线的位置关系等)和列代数式、列方程等知识解决问题.
二、线动型
例2如图4,在平面直角坐标系中,四边形OABC是矩形,点B的坐标为(4,3).平行于对角线AC的直线m从原点O出发,沿x轴正方向以每秒1个单位长度的速度运动,设直线m与矩形OABC的两边分别交于点M、N,直线m运动的时间为t(秒).
(1) 点A的坐标是,点C的坐标是;
(2) 当t=秒或 秒时,MN=
12AC;
(3)设△OMN的面积为S,求S与t的函数关系式;
(4) 探求(3)中得到的函数S有没有最大值?若有,求出最大值;若没有,要说明理由.
分析:有了问题(2)的提示,我们不难想到用分类讨论的思想来解决问题(3),本题的难点在于问题(4)又综合了存在型问题的特点,需要我们先来进行大胆的猜想,然后再去探索、发现、归纳,需要注意的是,解决这个问题,仍然需要运用分类讨论在0
(3) 本题需要分类讨论:①当0
=ONOC
,所以 ON=
34t
,S=
38t2; ②当4
BN
=6-
34t,所以 AM=
34(t-4).因为OD=t,所以 AD= t-4. 所以
S=S矩形OABC
-SRt△OAM-SRtMBN
-SRt△NCO
=12-32(t-4)-
12
(8-t)(6-34t)
-32
(t-4)=-38
t2+3t.
(4) 有最大值.理由:①当0
38
×42
=6; ②当4
的开口向下,其顶点是(4,6),所以 S<6.综上,当t=4时,S有最大值6.
点评:线动性题型近年来考查最多,且一般都作为中考压轴题出现.解决这类问题,图形的结构分析显得特别重要.而“由数思形,以形促数”的数学思想,可以为我们开辟了一个多角度、多层次的解题思维途径.
三、面动型
例3如图6,抛物线y=ax2-3ax+b经过A(-1,0),C(3,2)两点,与y轴交于点D,与x轴交于另一点B.
(1)求此抛物线的解析式;
(2)若直线y=kx-1(k≠0)将四边形ABCD面积二等分,求k的值;
(3)如图7,过点E(1,-1)作EF⊥x轴于点F,将△AEF绕平面内某点旋转180°后得△MNQ(点M,N,Q分别与点A,E,F对应),使点M,N在抛物线上,求点M,N的坐标.
分析:如图8,由于经过点A(-1,0)与点C(3,2),因而可以直接通过待定系数法的方法,求出抛物线的解析式;解决问题(2)则必须通过数形结合的思想方法考虑构建方程求解,由于有H(
1k,0)、T(
3k,2),根据
S梯形AHTD=
12S梯形ABCD,不难得到
12(3k+
1k+1)×2=4,从而求出k=
43;问题(3)中,我们可以由题意知AN与EM实际是关于某一点的中心对称,因而自然就有四边形AEMN为平行四边形,利用平行四边形的相关性质,确定出M、N这两组有序实数间的相互关系,然后代入抛物线的解析式,则可求解.
解:(1)因为抛物线
y=ax2-3ax+b
过A(-1,0)、C(3,2), 所以 0=a+3a+b,2=9a-9a+b. 解得a=
-12,b=2, 所以 抛物线解析式
y=-12x2+32x+2.
(2)由y=-
12
x2+32x
+2得B(4,0)、D(0,2). 所以CD∥AB.所以
S△ABCD=
12(5+3)×2=8.设直线
y=kx-1交AB、CD于点H、T,则H(
1k,0)、T(
3k,2).因为直线
y=kx-1平分四边形ABCD的面积,所以
S梯形AHTD=
12S梯形ABCD=4.
所以
12
(3k
+1k+1)×2=4
.所以
k=43. 所以当
k=34时,直线
y=kx-1(k≠0)将四边形ABCD面积二等分.
(3)由题意知,四边形AEMN为平行四边形, 所以AN∥EM且AN=EM. 因为E(1,-1)、A(-1,0), 设M(m,n),则有N(m-2,n+1).而M、N在抛物线上, 即有
n=-12m2+32m+2,
n+1=-12(m-2)2+32
(m-2)+2, 解之得:m=3,n=2.所以M(3,2),N(1,3).
点评:本题是一道以旋转为载体的坐标几何题.中考中的坐标几何题,融丰富的几何图象于一题,包含的知识点较多.而代数变换(包括数式变换、方程变换、不等式变换)与几何推理的巧妙融合,更使数形结合的数学思想得到充分运用.