2013年高中数学教学论文 利用几何画板探索轨迹的教学 新人教版.pdf

利用几何画板探索轨迹的教学 研究性学习一得 研究性学习是指学生在教师的指导下 从学生生活和社会经验中 选择和确定研究专题 仿照科学研究的方法和过程 主动地获取知识 并应用知识来解决问题的学习活动 研究性 学习围绕一个主题或问题 以小组学习为主要形式 学生自主进行的探索性 实践性 开放 性课程 研究性学习是以问题的解决为主要形式的学习活动 问题是它的重要载体 整个学 习活动以问题的自然形成序列 研究性学习更强调实践 注重体验 关注结果 其特点是内 容强调开放性 学习强调主体性 注重学生之间合作学习 讲求体验式 活动化 下面通过对一个数学问题的探索 谈谈我的一点体会 教师 求曲线的方程 通过方程研究曲线的性质是解析几何的两大主要问题 今天与同 学们讨论一个问题 怎样探索点的轨迹 问题是数学的心脏 思维从问题开始 我们先看一个具体的例子 如图 1 过椭圆1 2 2 2 2 b y a x 的左焦点F0 ba1作弦AB 现在来研究焦点弦AB有关的问 题 轨迹 1轨迹 1 过原点 O 作弦 AB 的垂线 垂足为 M 求点 M 的轨迹方程 图 1 图 2 几何画板演示 拖动主动点 A 在椭圆上转动或制作点 A 在椭圆上运动的动画按钮 跟踪 点 M 得到点 M 的轨迹是一个小圆 如图 2 怎样求出这个小圆的方程 学生 按一般思路 假设弦 AB 所在直线的斜率为 k 则 AB 的垂线的斜率为 k 1 列出这 两条直线的方程 联立这两个方程解出交点 即垂足 M 的坐标 最后消去参数 k 就得到点 M 的 轨迹方程 哇 好复杂 学生们埋头进行着复杂的运算 其中一个学生望着投影大屏幕 既不动手 也不说话 教师 你为什么不动手做 学生 我在想 这个轨迹是一个圆 而且是以OF1为直径的圆 是不是有什么简单的方 法做出来 噢 我知道了 一般的解题思路很容易想出来 但运算也很复杂 我有一个很好 也很简单的方法 因为OM AB 所以 OM 2 F 1M 2 OF 1 2 若设点M的坐标为 x y 点F 1的坐标为 c 0 则 用心 爱心 专心 1 x 2 y2 x c 2 y2 c2 即 222 2 2 c y c x 这就是所求的轨迹方程 啊 这么简单 同学们都惊讶起来 马上又有一个学生说 大家都被椭圆这个外表给迷惑住了 其实这个问题只与原点和点 F1 的坐标有关 而与椭圆的弦无任何联系 就是 给定两点O与F1 过这两点作两条互相垂直 的直线 求交点的轨迹方程 这当然很容易解得 教师 很好 刚才同学们讨论得很不错 在探求点的轨迹时 一定要注意设法找出动点 所满足的几何条件 寻找动点与不动点之间的几何关系 平面几何的有关结论对求点的轨迹 很有用处 下面我们将问题改变一下 轨迹 2轨迹 2 如图 3 求弦 AB 中点 P 的轨迹方程 猜猜看 点 P 的轨迹是什么 不少学生已经利用几何画板演示了出来 几何画板演示 拖动主动点 A 得到点 P 的轨迹是 一个小椭圆 并且这个小椭圆的长轴是线段OF1即 半焦距 2 c 如图 4 真是椭圆 学生的兴趣被调动起来 怎样求这个小椭圆的方程 教师在下面观察学生的解法 却发现不少学生 图 3 对这类问题无从下手 教师 根据求轨迹方程的一般步骤 求哪一点的轨迹方程 就应该假设该点的坐标为 x y 因此先设P点坐标为 x y 要建立点P的坐标 x y 满足的方程 观察图形 这里有四 个点A x1 y1 B x2 y2 P F1 其中点F1是定点 A B P都是动点 但点A是主动点 引 起点P运动的原因是由于点A在椭圆上运动 因此要找到点P与A B F这三个点的坐标之间的 关系 这是解决问题的关键 点 P 与 A B 两点的坐标的关系怎样 学生 根据中点坐标公式得到 2 21 xx x 2 21 yy y 如何将A B P F1这四点的坐标联系起来 利用直线的斜率 直线 AB 的斜率怎样表示 有 21 21 xx yy k 还有 cx y k 如何得到 21 21 xx yy A B 两点在哪 满足什么方程 图 4 在椭圆上 满足 222 1 22 1 2 bayaxb 222 2 22 2 2 bayaxb 知道怎样求 21 21 xx yy 了吗 学生很快得到下列解法 经过整理 设A x1 y1 B x2 y2 P x y 22 bac 则 2 21 xx x 2 21 yy y 用心 爱心 专心 2 因为点 A B 都在椭圆上 则 222 1 22 1 2 bayaxb 222 2 22 2 2 bayaxb 两式相减得 0 2121 2 2121 2 yyyyaxxxxb 于是有 cx y k ya xb yy xx a b xx yy 2 2 21 21 2 2 21 21 化简得 1 2 2 2 2 2 2 2 a bc y c c x 此即为所求的轨迹方程 教师 以上解法是很典型的 这里设点 A B 的坐标 但并不需要求出 只是利用 A B 的坐标进行过渡 这是解析几何中常用的一种求轨迹方法 设而不求 寻找动点之间的关 系是求轨迹问题的关键 还有其它解法没有 一学生 因为直线AB经过点F1 可以设直线AB的方程为y k x c 与椭圆方程联立解方 程组得出A B两点的坐标 另一学生 不必解出A B的坐标 将直线AB的方程为y k x c 代入椭圆方程得到的一元 二次方程的两根就是点A B的横坐标x1 x2 正好可以利用韦达定理得到 2 21 xx x 2 21 yy y 将点A B的横坐标都表示为直线AB的斜率k的函数 消去参数k就行了 教师 很好 请同学们将解法写出来 以下是学生的另一种解法 经整理 解法二 假设直线 AB 的斜率为 k 则直线 AB 的方程为 y k x c 代入椭圆方程1 2 2 2 2 b y a x 得 02 22222222222 bakcaxckaxkab 设A x1 y1 B x2 y2 P x y 则 222 22 21 2kab ckaxx x 2 2 2 2 2 1 2 2 222 22 21 2121 c kab ckak cxxk cxkcxkyy y 222 2 kab ckb 由 得 ya xb k 2 2 代入 y k x c 得 2 2 cx ya xb y 整理得 1 2 2 2 2 2 2 2 a bc y c c x 即为所求的方程 学生 我改变原椭圆的长轴或短轴的长 所求轨迹的形状也随着改变了 但这两个椭圆 的形状仍然十分 相似 也不知有没有必然的联系 学生 2 2 c与 2 2 a bc 的比例正好等于 哇 我发现这两个椭圆的离心率是一样 的 因此它们的形状相同 22 ba 用心 爱心 专心 3 教师 很好 看来大家已经掌握了求轨迹的关键 寻找被动点与主动点之间的关系 刚才所探索的都是弦 AB 上特殊点的轨迹 同学们能否利用几何画板探索其它点的轨迹 请大 家根据这个椭圆及弦 AB 自行发现问题 提出问题和解决问题 学生们立即投入到探索中 一位学生 轨迹 3轨迹 3 在弦 AB 上任意取一点 Q 跟踪点 Q 动画 哇 怎么点 Q 的轨迹是这样的 不少学生也发现了同样的问题 教师将这位学生计算机上的画面切换到大屏幕 几何画 板演示 在弦 AB 上任取一点 Q 跟踪点 Q 拖动主动点 A 取到如下几何图形 如图 5 7 所示 图 5 图 6 图 7 呀 这是什么图形 怎么会有这样的图形 自学习解析几何以来还从没见过这样的图形 该给这个轨迹起个什么名字呢 学生们发出惊叹 拖动点 Q 发现点 Q 的轨迹也发生变化 当点 Q 接近中点 P 时 点 Q 的轨迹图形接近于中 点 P 的轨迹 小椭圆 如图 6 而当点 Q 接近于点 A 或 B 时 轨迹图形就接近于大椭圆 如 图 7 轨迹 4 轨迹 4 老师 我发现 如果将弦AB的两端A B分别与椭圆长轴两个端点A1 A2连起来 则这两条直线A2A与A1B的交点C好象在椭圆的准线上 另一个学生叫起来 老师 点 Q 的轨迹不是我们所熟悉的圆 椭圆 双曲线或抛物线 其轨迹方程一定很 复杂 点 C 的轨迹这么简单 那么应该可以求出其方程吧 教师 试试看吧 采取常规方法 交轨法 求解 设直线AA2 BA1的方程分别为 y k1 x a y k2 x a 将AA2的方程代入椭圆方程整理得 02 222 1 42 1 3222 1 2 bakaxkaxbka 此方程的两根是A A2 的横坐标x1与a 故可求得A x1 y1 点坐标为 2 22 1 2 1 2 22 1 2 22 1 3 bka kab bka abka A 图 8 同理可求得B x2 y2 点坐标为 2 22 2 2 2 2 22 2 2 22 2 3 bka kab bka abka B 用心 爱心 专心 4 即 cx y cx y 2 2 1 1 由A F1 B三点共线可得k 11 BFAF k 将 A B 两点坐标代入并整理得 a 2 a c k 1 2k 2 a 2 c a k 1k2 2 b2 a c k 1 b 2 c a k 2 0 将 ax y k 1 ax y k 2 代入上式得 0 2222222 axaxacbaxaxcabyacaycaa 分解因式得 0 222222 baxbyaaxacaxca 因为直线AA2 BA1的交点在椭圆外 所以 0 222222 bayaxb 故 0 axacaxca 即 c a x 2 即为直线AA2 BA1的交点的轨迹方程 而这就是椭圆的准线方程 同样的道理 直线A2B与A1A的交点 D 也在准线上 老师 不管 C D 两点在左准线上怎 样运动 CF1D是一个定值 如图 9 所 90 示 又一个学生发现了一个结论 同学们利 用上个问题的解决方法 很快证明了出来 教师 很高兴看到你们能探索出这么多 图 9 结论出来 利用几何画板 你们还能探索出什 么结论吗 如果是圆 椭圆等常见轨迹 请同学们课后尽量给出证明 轨迹 5 轨迹 5 老师 如图 10 作 OAB 的重心 G 其轨迹也是一个椭圆 一位学生说 以下是学生课后提供的解答过程 设A x1 y1 B x2 y2 G x y AB中点为M x0 y0 则 210 2xxx 210 2yyy 3 21 xx x 3 21 yy y 0 3 2 xx 0 3 2 yy 由 222 1 22 1 2 bayaxb 222 2 22 2 2 bayaxb 得 ya xb yy xx a b xx yy 2 2 21 21 2 2 21 21 此即为直线 AB 的斜率 k 图 10 又 cx y cx y cx y k 3 2 2 3 2 3 0 0 cx y ya xb 3 2 2 2 整理得 0 3 2 2222 yacxxb 故 OAB 重心 G 的轨迹方程为 1 3 3 3 2 2 2 2 a bc y c c x 用心 爱心 专心 5 下面是学生们得到的几条奇形怪状的曲线 轨迹 6 轨迹 6 OAB 的内心的轨迹是一条 鸡蛋形 曲线 如图 11 所示 轨迹 7 轨迹 7 OAB 的垂心的轨迹是一条 形状的曲线 如图 12 所示 图 11 图 12 轨迹 8轨迹 8 OAB 的外心的轨迹是一条 反 形状的曲线 如图 13 所示 轨迹 9轨迹 9 OAB 中 过点 A 作 OB 的垂线 垂足的轨迹是 两叶花卉形 如图 14 所示 图 13 图 14 轨迹 10 轨迹 10 老师 如图 15 作 ABF2的重心G 其轨迹也是一个椭圆 以下是学生课后的解答 设A x1 y1 B x2 y2 G x y 则由F2 c 0 与G x y 可得AB中点M的坐标为 2 3 2 3 x y c 因为 ya xb yy xx a b xx yy 2 2 21 21 2 2 21 21 所以 ccx y ya xb 3 2 1 2 3 2 2 整理得 3 yaxb 22 2222 cb 即 1 9 3 2 22 2 2 2 a cb y c x 此即为 ABF2的重心G的轨迹方程 图 15 又是几条奇妙的曲线 轨迹 11轨迹 11 ABF2的内心的轨迹是与椭圆相似的一条曲线 如图 16 所示 形状的曲线 如图 17 所示 轨迹 12轨迹 12 ABF2的垂心的轨迹是一条 轨迹 13轨迹 13 ABF2的外心的轨迹是一条 反 形状的曲线 如图 18 所示 轨迹 14轨迹 14 ABF2中 过点A作BF2的垂线 垂足的轨迹是两叶花卉形 如图 19 所示 用心 爱心 专心 6 图 16 图 17 图 18 图 19 轨迹 15 18轨迹 15 18 延长AF2交椭圆于另一点C 联BF2 ABC的重心 内心 垂心 外心的轨 迹都是一不知名的曲线 如图 20 23 所示 图 20 图 21 图22 图 23 老师 椭圆与双曲线 抛物线都是圆锥曲 线 它们有很多相似的性质 以上问题在双曲线 与抛物线中是不是也具有相似的结论 问得好 同学们探讨一下这位同学提出的 问题 以下是学生经过探索得出下面的结论 限于 用心 爱心 专心 7 篇幅 本文略去解题过程 轨迹 19 轨迹 19 如图 24 过双曲线1 2 2 2 2 b y a x 的右焦点F2作弦AB 则弦AB的中点M的轨 图 24 迹是以OF2为实轴即实半轴长为 2 c 的双曲线 其方程为1 2 2 2 2 2 2 2 a bc y c c x 其解答过程与 椭圆相似 这里略去 并且此双曲线与原双曲 线的离心率相同 若在弦 AB 上任取一点 P 则点 P 的轨迹图形如图 25 26 并且当点 P 图 25 接近中点 M 时 P 点轨迹接近中点 M 的轨迹 双曲线 当点 P 接近点 A 或 B 时 P 点 轨迹接近原双曲线 轨迹 20 轨迹 20 如图 27 OAB 的重心 G 的轨 迹是一双曲线 其方程为1 3 3 3 2 2 2 2 a bc y c c x 轨迹 21 轨迹 21 如图 28 ABF1的重心的轨迹是 一双曲线 其方程为1 9 3 2 22 2 2 2 a cb y c x 图 26 图 27 图 28 轨迹 21 轨迹 21 如图 28 ABF1的重心的轨迹是一双曲线 其方程为1 9 3 2 22 2 2 2 a cb y c x 轨迹 22 轨迹 22 如图 29 过抛物线的焦点 F 作弦 AB 则弦 AB 的中点 M 的轨迹是以 F 为顶点的抛物线 其方程为 pxy2 2 2 2 p xpy 用心 爱心 专心 8 图 29 图 30 图 31 如图 30 31 若在弦 AB 上任取一点 P 则点 P 的轨迹并且当点 P 接近中点 M 时 P 点轨 迹接近中点 M 的轨迹 抛物线 当点 P 接近点 A 或 B 时 P 点轨迹接近原抛物线 轨迹 23 轨迹 23 如图 32 OAB 的重心 G 的轨迹是一条抛物线 其方程为 3 3 4 2 p xpy 轨迹 24 轨迹 24 如图 33 K 是抛物线的准线与 x 轴的交点 KAB 的重心的轨迹是一条抛物 图 32 图 33 图 34 线 其方程为 6 3 4 2 p xpy 如图 34 通过探索还可得到抛物线有关的一些性质 如 以 AB 为直径的圆与准线相切 连接 OA OB 两条直线 分别交抛物线的准线于 M N 两点 则 MFN 并且 AM BN 都垂直于准线 90 教师 今天的问题同学们研究得很好 几何画板可以称这数学实验室 通过这个实 验室 同学们可以学会怎样去探索 发现问题和解决问题 象上面的轨迹问题 找到了主动 点与被动点之间的关系 问题就不难解 下面的这个问题 同学们课后去加以研究 下周将你们研究的结果展示出来 问题 如图 35 所示 过椭圆的左顶点A1作两条互相垂直的弦A1A A1B 对于弦AB提出一 些问题并加以解决 例如 弦 AB 是否经过