高考数学题中永不消逝的“离心率”

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  每年高考数学题中总是离不开圆锥曲线的“离心率”问题,为什么会如此呢?其一,离心率是圆锥曲线的重要几何特征;其二,圆锥曲线的离心率与其他基本量联系密切,容易产生知识交汇;其三,离心率与非解析几何知识相融合可以检测学生的综合分析能力。
  1离心率与平面几何
  椭圆与双曲线与平面几何中的三角形,四边形,圆等相融合,会形成许多涉及离心率的问题。
  例1.已知橢圆的两个焦点分别为F1,F2,以F1F2为边作正三角形,若椭圆恰好平分正三角形的另两条边,则椭圆的离心率为______。
  解析:设椭圆与正三角形的另两条边交于A,B,则AF2=[3]c,AF1=c,于是[3]c+c=2a,e=[23+1]=[3]-1
  变式1.已知椭圆的两个焦点分别为F1,F2,以F1F2为一条对角线作正方形,若椭圆恰好平分正方形的四条边,则椭圆的离心率为______。
  解析:设椭圆与正方形的上两条边交于A,B,则AF2=[(22)2+(2)2],c=[102]c,AF1=[22]c,于是[102]c+[22]c=2a,e=[410+2]=[10-22]
  变式2.设双曲线的两个焦点为F1,F2,以F1F2为边作正三角形MF1F2,若MF1中点在双曲线上,那么此双曲线的离心率为( )
  A.[2] B.[3] C.1+[3] D.[3+12]
  解析:|F1F2|=2c,|MF1|=c,|MF2|=[3]c,[3]c-c=2a,e=1+[3],选择C
  2离心率与图形挖掘
  解析几何中的问题是运用代数方法研究几何图形的性质,因此充分挖掘几何图形的几何性质是解决解析几何问题的金钥匙,离心率是一个重要的几何性质,所以会与几何图形性质有着千丝万缕的联系
  3离心率与向量运算
  向量融入解析几何问题之中,一直是高考数学解析几何问题的一个热点,为了探索离心率大小,需要运用向量运算建立a,b,c关系,从而达到目的。
  例5.点P(-1,-3)在双曲线[x2a2-y2b2=1](a>0,b>0)的左准线x=[-a2c]上,过点P且方向为[a]=(-2,5)的光线经直线y=2反射后通过双曲线的左焦点,则这个双曲线的离心率为( )。
  A.[3] B.[2] C.2 D.[195]
  解析:设Q(x0,2),F1(-c,0)
  则由PQ∥[a]得[5x0+1=-52],解得x0=-3
  又kPQ+[KQF1]=0,[2C+X0+5X0+1=0],c=[195]
  而-[a2C]=-1,选择D
  反思:圆锥曲线的离心率是高考中常考的一个知识点,年年高考年年有,变幻无穷新视角,今年江苏高考题将平面解析几何的基础问题——斜率、平行、离心率与向量有机结合,并与物理的光学知识结合,形成一个体现综合能力的基础题,我们要挖掘平行条件、反射条件以及准线知识才能确定离心率的大小,其中平面向量充当一个“舞手”将圆锥曲线描绘的五彩缤纷.在平面解析几何中,涉及线段长度,线与线的夹角,以及线与线的位置关系,而这些关系都可以用向量加以描述,因此向量与解析几何的融合呈现出一个命题特点。
  4离心率的实际应用
  例8.(2008湖北)如图所示,“嫦娥一号”探月卫星沿地月转移轨道飞向月球,在月球附近一点P轨进入以月球球心F为一个焦点的椭圆轨道Ⅰ绕月飞行,之后卫星在P点第二次变轨进入仍以F为一个焦点的椭圆轨道Ⅱ绕月飞行,最终卫星在P点第三次变轨进入以F为圆心的圆形轨道Ⅲ绕月飞行,若用2c1和2c2分别表示椭圆轨道Ⅰ和Ⅱ的焦距,用2a1和2a2分别表示椭圆轨道Ⅰ和Ⅱ的长轴的长,给出下列式子:
  ①a1+c1=a2+c2 ②a1-c1=a2-c2 ③a2c1>a1c2 ④a2c1  其中正确式子的序号是( )
  A.①③ B.②③ C.①④ D.②④
  解析:a1-c1=a2-c2,②正确;a1+c2=a2+c1,两边平方后可得a12+2a1c2+c22=a22+2a2c1+c12,a12-c12+2a1c2=2a2c1+a22-c22,b12+2a1c2=2a2c1+b22,b1>b2,∴2a1c2<2a2c1,③正确,选择B
  
  变式:简化的奥运会主体育场的“鸟巢”钢结构俯视图如图,内外二圈的钢骨架是离心率相同的椭圆,外层椭圆[x2(ma)2+y2(mb)2=1](a>b>0,m>1)顶点A(ma,0),B(0,mb),向内层椭圆[x2a2+y2b2=1]引切线AC,BD,若切线AC与BD的斜率之积为[-916],求椭圆的离心率。
  解析:设切线AC方程为y=k1(x-ma),切线BD方程为y-mb=k2x,于是由
  [(bx)2+(ay)2=(ab)2y=k1(x-ma)],
  消去y得,[b2+a2k12x2-2ma3k12x+m2a4k12-ab2=0]
  [?=(-2ma3k12)2-4b2+a2k12m2a4k12-ab2=0]
  [∴k12=b2a21m2-1]
  同理可得
  [(bx)2+(ay)2=(ab)2y=k2x+mb],
  消去y得,[b2+a2k22x2+2mba2k2x+m2a2b2-ab2=0]
  [?=(2mba2k2)2-4b2+a2k22m2a2b2-ab2=0]
  [∴k22=b2a2(m2-1)]
  [∴-916=-b2a2,b2a2=916,e2=1-916=716,e=74]
  5总结
  离心率是解析几何高考的核心,也是解题的重要手段。巧用圆锥曲线的第二定义解决问题往往更能明快、简捷。需注意的是利用圆锥曲线第二定义解题的关键是:题目中有动点到定点、定直线距离关系的条件或动点到两个定点距离间的关系的条件,联系实际问题,不能盲目使用。
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