【教学论文】探求以空间图形为背景的轨迹问题【教师职称评定】.doc
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探求以空间图形为背景的轨迹问题的常用方
江西省灰埠中学 朱 英
近几年的高考数学试题,设置了一些数学学科内的综合题,它们的新颖性、综合性,值得我们重视。在知识网络交汇处设计试题是高考考试命题的一个方向,空间轨迹问题正是在这种背景下“闪亮登场”(如2004年重庆高考理科数学试卷第12题)。由于这类题目涵盖的知识点多,数学思想和方法考查充分,学生求解起来颇感困难,考试时经常弃而不答,令人惋惜。
探求空间轨迹问题,要善于把立体几何问题转化到平面上,再联合运用平面几何、立体几何、空间向量、解析几何等知识去求解,实现立体几何到解析几何的过渡。本文通过几道典型例题的分析,寻求空间轨迹问题的探求方法。
一、联想圆的定义
例1 已知平面∥平面,平
面、间的距离为8,点P在平面
内,则在平面内到点P的距离为
10的点的轨迹是[ A ]
A.一个圆 B.一条直线
C.一个点 D.不存在
解:过点P作平面的垂线,设垂足为O,
则PO=8,又设平面内一点A到点P的距离为10,连PA、OA,
则在PAO中,由勾股定理可得OA=6。可知A点的轨迹为圆,故选A。
练习1 已知正方体
的棱长为1,在正方体的表面上与点A距
离为的点的集合形成一条曲线,则该
曲线的长度为[ B ]
A. B.
C. D.
提示:当点P在上底面时,连AP、A1P,
在直角APA1中,求得PA1=,即弧P1P2的长。同理左侧面的弧P5P6、后侧面的弧P3P4的长也为;当点P在前侧面时,弧P1P6的半径为,
因为直角A1P1A中,直角边A1P1的长为斜边P1A的一半,所以弧P1P6的圆心角为
,从而弧P1P6的长为。同理右侧面的弧P2P3的长与下底面的弧P4P3的长的长也为。故曲线的总长度为。
因此选B。
二、联想到抛物线的定义
例2 已知正方体的
棱长为1,点M在棱AB上,且AM=,点P
是平面ABCD内的动点,且点P到直线
的距离的平方与点P到点M的距离的平方之
差为1,则P点的轨迹为[ A ]
A.抛物线弧 B.双曲线弧
C.线段 D.以上都不对
解:过P作PF垂直AD于F,则PF垂直
平面ADD1A1,过点F作FE垂直A1D1于E,连PE,则PE为点P到直线A1D1的距离,由已知,即,得, PF=PM,故P点的轨迹是以M为焦点,以AD为准线的抛物线,故选A。
练习2 在正方体
的侧面ABB1A1内有一点P到直线AB与到
直线B1C1的距离相等,则动点P所在曲线
的形状为[ C ]
A.直线 B.双曲线
C.抛物线 D.圆
提示:因为B1C1垂直于平面ABB1A1,
所以PB1为点P到直线B1C1的距离,于是
问题转化为在平面ABB1A1内,点P到定点B1的距离与点P到定直线AB的距离相等。故根据抛物线的定义可知选答案C。
三、联想到球面的定义
例3 已知棱长为3的正方体中,
长为2的线段的一个端点在上运
动,另一个端点在底面上运动。则
的中点P的轨迹与正方体的面所围成的几
何体的体积为[ B ]
A. B. C. D.
解:由题意可知,是直角三角形,
点为斜边的中点, 。
故点的轨迹是以为圆心,1为半径的球面位于正方体内的部分,该部分球面与正方体围成的几何体是球的八分之一,故选B。
四、利用向量工具
例4 一定长线段AB的两个端点A、B沿
互相垂直的两条异面直线、运动,求它的
中点的轨迹。
解:设MN为、的公垂线段,连结
AM、BN,设MN、AB的中点分别为O、P,则
,
所以, 即P点必在MN的垂直平分面上。
因为异面直线、互相垂直,所以
。
所以P点在以O为圆心,为半径的圆上。
故P点的轨迹是MN的垂直平分面内的一个圆。
另解:设MN为、的公垂线段,则MN
与、两两垂直。如图,以N点为原点,直
线为轴,直线NM为轴,以过点N所作直
线的平行线为轴,建立空间直角坐标系。
设,,,
则,
P点坐标为,其中横坐标
和纵坐标为变量,中有竖坐标为常量。
即P点必在MN的垂直平分面上。
取MN的中点O,则,
所以P点在以O为圆心,为半径的圆上。
故P点的轨迹是MN的垂直平分面内的一个圆。
评
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