一个数学问题的变式探究与应用

来源 :数理化学习·高一二版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lieying110
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  问题:如图1,电影屏幕的上下边缘A、B到地面的距离AD=a、BD=b(a>b),屏幕的正前方地面上一点P,求视角∠APB的最大值,以及当∠APB最大时,P、D两点的距离.
  解:设∠APB=β,∠BPD=α,PD=x,则因为β为锐角,所以当tanβ最大时,∠APB最大.由tan(α+β)=
  ax,tanα=bx得
  图2
  例1 椭圆x2a2
  +y2b2=1
  的左准线为l,左焦点为F,点P是
  l上的动点,当∠FPO最大时,P点的坐标为.
  解:如图2,设l交x轴于点A,则当∠FPO最大时,由上述问题的结论知:
  变式1:双曲线C:
  x2a2
  -y2b2=1
  的离心率为e,A、F分别为双曲线的右顶点、右焦点,P为右准线上的动点,当∠APF最大时,tan∠APF=.
  解:设双曲线的右准线交x轴于点D,则|DA|=
  a-a2c,
  变式2:O、F分别为抛物线
  y2=2px(p>0)的顶点和焦点,P为准线上的动点,当∠OPF最大时,
  变式3:椭圆C:
  x2a2+y2b2=1的离心率为e,B、F分别为椭圆的左顶点、左焦点,P为左准线上的动点,当∠BPF最大时,
  tan∠BPF=.
  解:如图3,设左准线与x轴的交点为A,则|AB|=
  a2c-a,|AF|=
  a2c-c,
  当∠BPF最大时,由上述问题的结论知:
  变式1、2、3是否有一种统一的表达形式呢?
  如图4,是圆锥曲线(椭圆、双曲线、抛物线)的一部分,其离心率为e,F为一焦点,A为相应的顶点,P为相应的准线上一动点,当∠APF最大时,tan∠APF=.
  图4
  探究:设准线与直线AF的交点为D,为方便起见不妨设|DA|为单位1,由圆锥曲线的第二定义
  变式4:圆锥曲线(椭圆、双曲线、抛物线)的离心率为e,F为一焦点,A为相应的顶点,P为相应准线上的一动点,当∠APF最大时,tan∠APF=
  e21+e
  .
  例2 一圆锥曲线C(椭圆、双曲线、抛物线)的一焦点为F,A为相应的顶点,P为相应准线上的一动点,已知tan∠APF的取值范围是(0,m],试判断该圆锥曲线C是何种类型.
  解:设C的离心率为e,由题设及变式4知:m=
  e21+e,当e=1时,m=
  122,又m=
  e21+e=
  12(1+e
  -11+e)
  在(0,+∞)上是增函数,所以
  ①当m>24时,e>1,曲线C是双曲线.
  ②当m=24时,e=1,曲线C是抛物线.
  ③当0  0  变式5:设P为双曲线C:
  x2a2-y2b2=1的渐近线在第一象限内的部分上一动点,F为C的右焦点,A为右准线与x轴的交点,双曲线C的离心率为e,当∠APF最大时,tan∠APF=.
  解:可证得∠APF为锐角,双曲线C的渐近线在第一象限内的方程为
  图5
  变式6:如图5,已知∠MON,A、B是ON上两定点,P是OM上的动点,OA=a,OB=b,当∠APB最大时,OP=.
  解:如图5,过A、B两点作圆与OM相切于P点,
  设E是OM上不同于P的一点,则E在圆外,连结BE,AE,设AE交圆于点F,则∠APB =∠AFB >∠AEB ,所以∠APB最大 ,此时,由
  OP2=OA·OB=abOP=ab.
  反思:能否用变式5的方法,建立坐标系解答变式6?能否用变式6的方法,速解变式5?本文的问题与变式6有何关系?
  例3 设P为双曲线C:
  x2a2
  -y2b2
  =1
  的渐近线在第一象限内的部分上一动点,F为C的右焦点,A为右准线与x轴的交点,双曲线C的离心率为2,则∠APF最大值=.
  解:由变式5可知,当∠APF最大时,tan∠APF=
  22-1=3,所以∠APF最大值是60度.
  探究性学习包含了极其丰富的内涵,充分调动学生的学习积极性,挖掘例习题的教育功能,引导学生提炼知识精华,激发探究热情,提升探究能力、感受探究价值,优化探究品质,定会收到理想的效果.
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