“运动型”问题的题例解析

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  质点运动型问题常常结合点、线,面的运动学知识,集几何、代数于一体,数形结合,有较强的综合性.解决此类问题需要用运动与变化的眼光去观察图形,抓住其中的等量关系和变量关系,并特别关注一些不变量、不变关系或特殊关系.利用函数、不等式和方程等知识求解.它渗透了分类讨论、转化化归、数形结合、函数方程等重要数学思想,综合性较强,已成为中考热点试题.新课程改革倡导培养学生的实践能力和创新精神,运动型试题所考查的知识与能力很好地体现了课改精神,如教材新增内容:图形的三种变换(平移、旋转、翻折)、图形与坐标等知识内容,以网格纸、坐标系等为背景,三角尺、多边形纸张等为工具,以运动为载体来设计试题,具有背景新颖、题材丰富、可操作性强的特点,已成为新课程中考的压轴题.
  运动型试题主要包含质点运动型试题与图形变换型试题两类,命题的设置往往带有开放性、操作性、探究性和综合性的特点.
  典型例题
  例1如图,在直角梯形ABCD中,AD∥BC,∠C=90°,BC=16,DC=12,AD=21.动点P从点D出发,沿射线DA的方向以每秒两个单位长的速度运动,动点Q从点C出发,在线段CB上以每秒1个单位长的速度向点B运动,点P,Q分别从点D,C同时出发,当点Q运动到点B时,点P随之停止运动.设运动的时间为t(秒).
  (1) 设△BPQ的面积为S,求S与t之间的函数关系式;
  (2) 当t为何值时,以B,P,Q三点为顶点的三角形是等腰三角形?
  (3) 当线段PQ与线段AB相交于点O,且2AO=OB时,求∠BQP的正切值;
  (4) 是否存在时刻t,使得PQ⊥BD?若存在,求出t的值;若不存在,请说明理由.
  思路点拔(1) 用含有t的代数式来表示相关的线段;(2) 分情况进行讨论,利用三线合一,勾股定理解题;(3) 依照题意画出图形,构造直角三角形,利用相似求解;(4) 利用垂直的条件,构造一对相似三角形.
  解析(1)∵ QB=6-t,
  ∴ S=(1/2)×12×(16-t)=96-t
  (2) 由图可知:CM=PD=2t,CQ=t.以B、P、Q三点为顶点的三角形是等腰三角形,可以分三种情况:
  ① 若PQ=BQ.解得t=3.5;
  ② 若BP=BQ.经过运算,不成立;
  ③ 若PB=PQ,解得t=.
  (3) 由△OAP∽△OBQ,可得==
  ∵ AP=2t-21,BQ=16-t, ∴2(2t-21)=16-t.
  可得: t=.
  过点Q作QE⊥AD,垂足为E,
  在Rt△PEQ中,tan∠QPE===.
  说明动点的问题、相关的运算、位置关系、常用含有t的代数式来表示相关的线段,利用相似、勾股定理,等来解决问题.
  例2如图,把含有30°角的三角板ABO置入平面直角坐标系中,A,B两点坐标分别为(3,0)和(0,3).动点P从A点开始沿折线AO-OB-BA运动,点P在AO,OB,BA上运动的速度分别为1,,2(长度单位/秒).一直尺上的上边缘l从x轴的位置开始以(長度单位/秒)的速度向上平行移动(即移动过程中保持l∥x轴),且分别与OB,AB交于E,F两点.设动点P与动直线l同时出发,运动时间为t秒,当点P沿折线AO-OB-BA运动一周时,直线l和动点P同时停止运动.
  请解答下列问题:
  (1) 过A,B两点的直线解析式是;
  (2) 当t=4时,点P的坐标为 ;当t =
   ,点P与点E重合;
  (3) ① 作点P关于直线EF的对称点P′. 在运动过程中,若形成的四边形PEP′F为菱形,则t的值是多少?
  ② 当t=2时,是否存在着点Q,使得△FEQ ∽△BEP ?若存在, 求出点Q的坐标;若不存在,请说明理由.
  思路点拔(1) 利用A,B两点坐标求直线解析式;(2)点P与点E起点不同,速度不同,要想重合,可以看成是追击问题的题目;(3)①四边形PEP′F为菱形,EF必然是对角线,因而,点P应在EF的垂直平分线上,依题意,存在两种情况,一、点P在线段OA上,二、点P在线段BA上,分别表示出点P的坐标,和EF的中点的坐标,从而列出方程,求解;②两三角形相似的关系已确定的,利用相似比1∶来求点的坐标.
  解析(1) y=-x+3; (2) (0,)t=;
  (3) ①当点P在线段AO上时,过F作FG⊥x轴,G为垂足(如图1), AP=t,
  ∴ OP=3-t,PG=AP-AG=t
  由3-t=t得t=;
  当点P在线段OB上时,形成的是三角形,不存在菱形;
  当点P在线段BA上时,
  过P作PH⊥EF,PM⊥OB,H、M分别为垂足(如图2),
  ∵ OE=t, ∴ BE=3-t, ∴ EF==3-
  ∴ MP=EH=EF=, 又∵BP=2(t-6)
  在Rt△BMP中,BP•cos60°=MP
  即2(t-6)•=,解得t=.
  ② 存在,理由如下:
  ∵ t=2, ∴ OE=,AP=2,OP=1
  将△BEP绕点E顺时针方向旋转90°,得到△B′EP(如图3),
  ∵ OB⊥EF, ∴点B′在直线EF上,C点坐标为(,-1),过F作FQ∥B′C,交EC于点Q,则△FEQ∽△B′EC,由===,可得Q的坐标为Q′(-,),根据对称性可得,Q关于直线EF的对称点(-,)也符合条件.
  说明点和线同时做运动,依据题中的起点不同,与速度的大小来确定点与线的特殊的位置关系,根据题目的要求,画出不同位置关系下的图形,有助于帮助我们去分析.另外解题时,要分析不运动阶段时的情况,防止漏解.
  例3 如图7,在Rt△PMN中,∠P=90°,PM=PN,MN=8㎝,矩形ABCD的长和宽分别为8cm和2cm,C点和M点重合,BC和MN在一条直线上.令Rt△PMN不动,矩形ABCD沿MN所在直线向右以每秒1cm的速度移动(图8),直到C点与N点重合为止.设移动x秒后,矩形ABCD与△PMN重叠部分的面积为ycm2.求y与x之间的函数关系式.
  解析在Rt△PMN中,∵ PM=PN,∠P=90°, ∴∠PMN=∠PNM=45°.延长AD分别交PM,PN于点G,H.过G作GF⊥MN于F,过H作HT⊥MN于T(图9).
  ∵ DC=2cm. ∴ MF=GF=2cm,
  ∵ MT=6cm.
  因此矩形ABCD以每秒1cm的速度由开始向右移动到停止,和Rt△PMN重叠部分的形状可分为下列三种情况:
  (1)当C点由M点运动到F点的过程中(0≤x≤2).如图9所示,设CD与PM交于点E,则重叠部分图形是Rt△MCE,且MC=EC=x.
  ∴ y=MC•EC=x2(0≤x≤2)
  (2) 当C点由F点运动到T点的过程中(2<x≤6),如图10所示,重叠部分图形是直角梯形MCDG.
  ∵ MC=x,MF=2, ∴ FC=DG=x-2,且DC=2.
  ∴ y=(MC+GD)•DC=2x-2(0<x≤6)
  (3) 当C点由T点运动到N点的过程中(6<x≤8),如图11所示,设CD与PN交于点Q,则重叠部分图形是五边形MCQHG.
  ∵ MC=x, ∴ CN=CQ=8-x,且DC=2.
  ∴ y=(MN+GH)•DC-CN•CQ=(x-8)2+12(6<x≤8).
  说明此题是一个图形运动问题,解答方法是将各个时刻的图形分别画出,将图形由“动”变“静”,再设法分别求解.这种分类画图的方法在解动态几何题中非常有效,它可帮我们理清思路,各个击破.
  例4将一矩形纸片OABC放在直角坐標系中,O为原点,C在x轴上,OA=6,OC=10.
  (1) 如图15①,在OA上取一点E,将△EOC沿EC折叠,使O点落在AB边上的D点,求E点的坐标;
  (2) 如图15②,在OA,OC边上选取适当的点E′,F,将△E′OC沿E′F折叠,使O点落在AB边上D′的点,过D′作D′G//y轴,交E′F于T点,交OC于G点,求证:TG=AE′.
  (3) 在(2)的条件下,设T(x,y),①探求:y与x之间的函数关系式;②指出自变量x的取值范围.
  (4) 如图15③,如果将矩形OABC变为平行四边形OA′B′C′,使OC′=10,OC′边上的高等于6,其他条件均不变,探求:这时T′(x,y)的坐标y与x之间是否仍然满足(3)中所得的函数关系式?若满足,请说明理由;若不满足,写出你认为正确的函数关系式.
  思路点拔欲求第(1)小题中E点的坐标,关键是运用折叠的性质及勾股定理求OE的长;第(2)小题关键是证明∠D′F′E′=∠D′TE′,也可根据垂直平分线与平行组合求得;第(3)小题的关键是在第(2)小题的基础上将问题转化为Rt△A′D′E′中勾股定理的问题;第(2)(3)小题的探究过程是探究第(4)小题函数关系的基础.
  解:(1) 方法1:设OE=m或E(0,m),则AE=6-m,CD=10,
  由勾股定理得AB=8,则AD=2,
  在△ADE中,由勾股定理得(6-m)2+22=m2解得:m=,所以E(0,).
  (2) 连结OD′交E′F于P,由折叠可知E′F垂直平分OD′,即OP=PD′,由OE′//D′G,所以得出OE′=D′T,所以AE′=TG.
  (3) ①连结OT,由(2)可得OT=D′T,由勾股定理可得x2+y2=(6-y)2,整理,得y=-x2+3.②结合①可得AD′=OG=2时,AD′最大,即x最大,此时G点与F点重合,四边形AOFD′为正方形,所以x最大为6,即x≤6,所以,2≤x≤6.
  (4) y与x之间仍然满足(3)中所得函数关系式,理由如下:连结OT′,仍然可得OT′=D′T′,即x2+y2=(6-y)2,所以,(3)中所得的函数关系式仍然成立.
  “运动型问题”是中考的热点问题,是考查学生基础知识,基本技能,思维能力的很好的题型.解决此类问题,要在“动”中求“静”,找出题目中的不变的关系,用含有t的代数式来表示相关的线段,运用全等、相似、勾股定理,以及函数的增减性、最值来解决问题.其中,分类讨论、数形结合、转化等数学思想等的运用,是解决问题的灵魂.学生在解决问题时要分析各种情况,并画出图形来分析、思考.
  练习
  1. 如图,AB是⊙O的直径,弦BC=2cm,F是弦BC的中点,∠ABC=60°.若动点E以2cm/s的速度从A点出发沿着A→B→A方向运动,设运动时间为t(s)(0≤t<3),连结EF,当t值为s时,△BEF是直角三角形.
  2. 如图,边长为1的正方形OABC的顶点O为坐标原点,点A在x轴的正半轴上,点C在y轴的正半轴上.动点D在线段BC上移动(不与B,C重合),连接OD ,过D作DE⊥OD ,交AB于点E,连OE,记CD的长为t.
  (1) 当t =时,求直线DE的函数表达式;
  (2) 若记梯形COEB的面积为S,那么是否存在S的最大值?
  若存在,求出这个最大值及此时t的值;若不存在,请说明理由.
  (3)当 OD2+ DE2的算术平方根取最小值时,求E点的坐标.
  3. Rt△ABC与Rt△FED是两块全等的含30°、60°角的三角板,按如图(一)所示拼在一起,CB与DE重合.
  (1) 求证:四边形ABFC为平行四边形;
  (2) 取BC中点O,将△ABC绕点O顺时钟方向旋转到如图(二)中△A′B′C′位置,直线B′C′与AB、CF分别相交于P、Q两点,猜想OQ、OP长度的大小关系,并证明你的猜想.
  (3) 在(2)的条件下,指出当旋转角至少为多少度时,四边形PCQB为菱形(不要求证明).
  答案1. t=1 或 2.(1) y=-x+ (2) S最大= (3) E(1,)
  3. 证明:(1) ∵△ABC≌△FCB ∴ AB=CF,AC=BF
  ∴四边形ABCF为平行四边形.
  (2) OP=OQ
  理由如下: ∵ OC=OB ,∠COQ=∠BOP,∠OCQ=∠PBO
  ∴ △COQ≌△BOP
  ∴ OP=OQ
  (用平行四边形对称性证明也可)
  (3) 90
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