基于GeoGebra的阿氏圆与卡西尼卵形线的可视化探究

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  摘要:阿氏圆与卡西尼卵形线是有名的轨迹问题,本文以其为载体,利用GeoGebra软件演示了两类轨迹的形成过程,实现了数学知识点的可视化。
  关键词:GeoGebra;阿氏圆;卡西尼卵形线;可视化
  平面内,到两定点F1、F2的距离之和等于定值2a(2a>F1F2)的点的轨迹为椭圆,到两定点F1、F2的距离之差的绝对值等于定值2a(2a<F1F2)的点的轨迹为双曲线.进一步研究,到两定点的距离之比(积)为定值的点的轨迹又是什么?
  一、阿氏圆探究
  1.    阿氏圆背景a
  阿氏圆是阿波罗尼斯圆的简称.到两定点的距离之比为定值a(a>0且a?1)的点的轨迹为圆[1],这个轨迹最先由古希腊数学家阿波罗尼斯发现.
  2.    基于GeoGebra的阿氏圆可视化探究构造步骤:
  步骤1:选取滑动条工具构造参数a(区间可选为[0,10]),选取射线工具构造射线AB,选取对象上的点工具构造射线AB上任意点C.
  步骤2:选取对象上的点工具构造x轴上任意点D、E,选取圆(圆心与半径)工具以D为圆心AC为半径构造圆c.
  步骤3:选取距离/长度工具度量线段AC,在输入框中输入r=ACa,得到r的值,选取圆(圆心与半径)工具以E为圆心r为半径构造圆d.
  步骤4:选取交点工具构造圆c、圆d的交点F、G,选取    线段工具,构造线段DF、DG、EF、EG.
  步骤5:选取 轨迹工具构造F关于C的轨迹,同方法构造G关于C的轨迹.
  构造说明:1、利用滑动条工具确定a的值(a>0且a?1).
  3.D、E为两个定点,F、G为两圆的交点.当C在射线AB上运动时,F、G也随之运动,但都有a=AC|/r=|DF|/|FE|=|DG|/|GE|,满足条件的轨迹为圆。
  二、卡西尼卵形线探究
  1.    卡西尼卵形线背景
  到两个定点的距离之积为常数的点的轨迹为卡西尼卵形线.卡西尼卵形线最先有法国籍天文学家和水利工程师乔凡尼·多美尼科·卡西尼在研究土星及卫星的运行规律时发现的.
  2.    基于GeoGebra的卡西尼卵形线可视化探究
  构造步骤:
  步骤1、2同前面的步骤1、2.
  步骤3:选取距离/长度工具度量线段AC,在输入框中输入r=aAC,得到r的值,选取圆(圆心与半径)工具以E为圆心r为半径构造圆d.
  步骤4同前面的步骤4.
  构造说明:1、利用滑动条工具确定a的值.
  3.    D、E为两个定点,F、G为两圆的交点.当C在射线AB上运动时,F、G也随之运动,但都有a=r·|AC|=|FE|·|DF|=|GE|·|DG|
  4.    对于DE=2,当a取大于0的不同值时,可以得到以下结论:
  (1)当0<a<1时,图像分为两支封闭曲线,随a的减小而分别向两定点D、E收缩(如图三);
  (2)当a=1时图像成?形自相交叉的双纽线(如图四);
  (3)当1<a<2时图像是一条没有自交点的光滑曲线,曲线中部有凹进的细腰(如图五);
  (4)当a=2时图像与第(3)种情况相似,曲线中部变平(如图六);
  (5)当a>2时,曲线中部凸起(如图七).
  三、结束语
  阿氏圆与卡西尼卵形线都是有名的轨迹问题,以它们为背景的几何问题在近年来的高考中经常出现,运用GeoGebra软件对它们进行可视化探究,为知识的猜想、探究和证明提供帮助.
  参考文献
  [1]   温庆峰.从一道课本习题看“阿波罗尼斯”圆[J].中学数学,2019(07):38-39.
  [2]   https://wenku.baidu.com/view/b05a064d650e52ea5518986b.html
  [3]   徐永忠.阿波羅尼斯圆与高考试题[J].上海中学数学,2014(1-2):90-93.
  项目资助:湖南省职业院校教育教学改革研究项目(立项编号:ZJZB2019034)。
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