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《一课一题之动态存在性问题》(第一季)


动点问题,一直以来是学生的“殇”,尤其是多动点问题,情形复杂,学生不知从何下手.本文拟以课堂教学中遇到的一道压轴题为例,采取一题一课的形式,从多角度、多维度思量动态问题中常见的一些存在性问题,旨在提升学生解决动点问题的能力,开拓学生思维,形成解题套路.

一、原题呈现

如图1,矩形ABCD中,AB=6,AD=8.动点E,F同时分别从点A,B出发,分别沿着射线AD和射线BD的方向均以每秒1个单位的速度运动,连接EF,以EF为直径作⊙O交射线BD于点M,设运动的时间为t.

(1)当点E在线段AD上时,用关于t的代数式表示DE,DM.

(2)在整个运动过程中:

①连结CM,当t为何值时,△CDM为等腰三角形;

②当圆心O处在矩形ABCD内(包括边界)时,求t的取值范围(直接写出答案). 

二、就题论题

先解决第(1)小问,规范解答如下:

一解一反思:用含有t的代数式表示图中的相关线段,这是解决动态问题最起码的基本功,可以利用“路程s=速度v×时间t”,设出时间t,将各点运动的路程在图中标出来,然后利用线段的和差倍分、题中给定的条件或者已学过的相关定理等,将图中能用t的代数式表示出来的线段尽可能都表示出来,最后借助勾股定理、相似或者其他知识等列出关于t的方程,求解便可.

对于动态问题,尤其是复杂的多动点问题,同学们一定要养成标图的好习惯,像静态平面几何问题一样,只有标图清晰、精简,才有望在复杂的干扰条件中寻找到解题突破口,切记“标好图、做好题”;

下面罗列笔者的几个标图好习惯:

①审题时,迅速将动点的运动方向用箭头表示出来,像图1-1那样,这可以使整个运动概况清晰呈现在眼前,便于捕捉细节,减轻大脑压力;

②将图中的所有线段尽可能用最简洁的方式标记出来,但前提是不能太乱,要精简节约,让人一看就懂,这有利于解题突破口的发现;

③“眼中有角,心中有比”,将图中确定的角,尤其是相等的角,用相同的符号标记出来,如“单弧”、“双弧”等,甚至可以用“△”或“☆”等;

总而言之,标图越清晰,解题越有利.笔者心中标图的最高境界是“题目扔掉,只看图形,一看便懂,哪怕是几十年之后看到此图,仍旧历历在目”,同学们要有意识地自我培养标图好习惯,这对于几何的学习、能力的提升,百利而无一害.很多学生之所以难以提高解题能力,一个很大的原因,就是忽视或者错过了这种最基本的标图等能力的培养.

第(2)小问,情形相对复杂,需要一些见招拆招的本领,下面笔者提供一套解决此类多动点问题的“机械化”思路:

题中有两个动点,且都在射线上运动,整个过程明显不止一类情形,如何分类、分几类是当务之急.

这类复杂的动点问题都可以采取如下方式轻松确定分类标准:

第一步(罗列关键时刻,绘制时间轴图):如图2-1,将每一个动点经过的关键点(含起点、拐点、临界点、终点等),并算出经过每一个关键点的时刻,利用数轴工具罗列出这些关键时刻,绘制出吾所谓的“关键时刻数轴图”;

第二步(以时间为标准,确定分类情形):依据所画数轴,本题可分三大类:①0≤t<8;②8≤t<10;③t≥10;

第三步(逐类画出草图,细致精准分析):上述三类情形,本质就是两动点的三种相对位置关系,直观地说,即:

①点E、F均在D的左侧;

②点F在D的左侧且点E在D的右侧;

③点E、F均在D的右侧.据此,可以画出各自草图,借助图形再细致分析,具体如下:

因为确定的∠CDM是个锐角,故此等腰三角形存在性问题还需再分三小类,即:❶DM=DC;❷DM=CM;❸DC=CM;

注:动点问题,往往设出时间t,将图中所需线段用含有t的代数式表示出来后,完全可以视t为常数,问题相当于t时刻的静态问题,故有上述△CDM确定之说.

Ⅱ.当8≤t<10时,即当点F在D的左侧且点E在D的右侧时,如图2-3(已作局部放大处理),要使△CDM为等腰三角形,由∠CDM为钝角,只可能CD=DM;

最后只需依据题意,找到等量关系,列出相应方程,求解即可(注意取舍).

下面提供规范解答,仅供参考:

一解一反思:多动点或运动路径为折线型等问题,相对而言,情形复杂,往往需要分类讨论,上述解答伊始,利用数轴罗列各动点在关键点(如起点、拐点、终点等)处的时刻,然后依据数轴被分各区域,轻松确立分类标准,这是解决此类复杂动态问题的通法,需要同学们认真体悟并在以后的解题中灵活运用.

此外,还需有自我意识地培养以下各种基本的解题好意识,以提高解题真本领:

①画图好意识:既然要分类,那就多画图,一类对一图.准备好铅笔、刻度尺、圆规等画图工具,画出草图,再结合题目中某些特殊的条件,特事特办,逐步精准分析定位,想办法找到合适的等量关系列出方程,求解即可;

②标图好习惯:几何学习,重在与图形打交道,既要培养规范作图的好意识,也要养成清晰标图的好习惯.准备好黑色水笔、圆珠笔、红笔等,将题目中相等的角标记为同一种符号或者同一种颜色等,这样有利于分析问题,找到解题的突破口.对于题目的多个问题,也可以采用不同颜色的笔去标记、分析,如用圆珠笔解第(1)问,红笔分析第(2)问等.这是笔者自己的解题好习惯,没有多色笔,遇题不想动,尤其是含多个问题或者需一题多解的综合题等;

③简化处理图:要善于对图形作“减法”或“简法”处理,慧眼识珠,在复杂全图中敏锐地捕捉到所需部分,忽略干扰线条,画出核心结构,另行处理,别地分析,这样有利于基本图形识别与构造能力的培养,提高分析问题、解决问题的本领;

④确定性思想:平时审题时,常带着确定性思想去分析问题,树立“确定的必可求”之意识,尤其是解一些确定的三角形,要借助全等的各种判定方法去分析问题,甚至于眼中无变量,即时间t都能看成为常数,结合这些含有t的“常值”去分析问题、解决问题,无往而不利,“心中常怀确定性,审题解题都给力”!

⑤等腰处理:基于确定性分析,对等腰三角形的存在性问题,若其三个内角都不确定,则需由勾股定理等知识(包括坐标系中两点间距离公式等)将其三边长均表示出来(“SSS”),再利用两腰相等为标准,分三类列方程,求解即可,这种处理方式不妨称为“纯代数法”;

若其某个内角确定,只需将此内角的两邻边表示出来(“SAS”),再以两腰相等(或两底角相等)为标准,分三类,借助三线合一,利用此确定角可以导出这两个边的比值,列出方程,求解便可,这种处理方式不妨称为“纯几何法”;

上面的问题,即采用了这里的“纯几何法”.

⑥眼中有角,心中有比:定边则定长,定角则定比,基于确定性思想去导角、分析角,利用这些确定的角所在直角三角形三边之比确定,用比例口算问题等,是一种重要的解题能力,需要同学们在平时的学习中慢慢积累、体会,逐渐成为自己的解题利器.

至于最后一小问,仍依据上述三大类情形,逐一画出草图,然后精准分析,具体如下:

Ⅰ.当0≤t<8时,即点E、F均在D的左侧时,如图3-1,显然EF的中点O始终处在矩形ABCD内(包括边界),

图3-2对应t=0的时刻,

而图3-3对应t=8的时刻,

均符合题意;

Ⅱ.当8≤t<10时,即当点F在D的左侧且点E在D的右侧时,如图3-4至图3-6所示,

显然,随着时间t的增加,圆心O经历了由矩形ABCD内部到矩形的一边上,再到矩形外部的过程,而图3-5的临界位置就是题眼;

Ⅲ.当t≥10时,即当点E、F均在D的右侧时,如图3-7,显然圆心O在矩形ABCD的外部,不符合题意.

从以上分析可以看出,解决此问的关键是图3-5所对应的临界时刻,

即圆心O刚好落在边CD上时,如何用好这个特殊的条件,是解题的突破口,下面提供两种解法:

一解一反思:“巧借数轴妙分类,画出草图细分析;锁定关键临界点,改斜归正方可解;另谋出路亮新招,建系解析照样行!”一首打油诗,道尽解题路.

下面常见的解题策略需引起同学们的关注与重视:

①改斜归正:此题EF的中点O,相当于“斜比”(即EO:OF=1:1),而从E、O、F各点引出的系列“水平-竖直辅助线”,可以化“斜比”为“直比”(即ED:DG=1:1),这是一种重要的化斜为直思想,有着广泛地应用,尤其是涉及坐标系中的相关问题,同学们都可以尝试采用“水平-竖直辅助线”去尝试解决问题,将“斜元素”转化为“直元素”,往往能化腐朽为神奇,化难为易!

请记住,“当你连尝试的勇气都没有,你就不配拥有成功,也永远不会成功,哪怕失败了又有何妨,重头再来也无所谓,要敢于去想,敢于去尝试,失败永远比退缩更可贵!”

不信,同学们可以尝试下面这个老师原创题组,深刻体会改“斜”归正在解题中的妙用:

这里仅提供第(1)小问的解法,如图3-24所示,其他问题的解法大同小异!

几点友情提示如下:

①改“斜”归正策略,构造相关“水平-竖直辅助线”,化斜为直,这是平面直角坐标系中极其重要而基本的辅助线,要勇于尝试,善于发现;

②“坐标轴”三角形:当坐标系中的直线解析式确定时,它与坐标轴围成的直角三角形会随之确定,在解决与直线有关的综合题时,大家要善于使用这个特征三角形,利用构造的“水平-竖直辅助线”,怀有相似情怀,眼中找角,心中导比,斜直转化,屡试不爽.

②建系解析法:“数缺形时少直观,形缺数时难入微,数形结合百般好,隔离分家万事休”,这是我国著名数学家华罗庚先生对于数学的理解,它告诫我们几何、代数本为一体,很多几何问题可以借助代数手段计算说理,而建立恰当的平面直角坐标系,引进解析法,这为我们的解题世界打开了一片新天地,建议同学们去了解解析法,但不宜滥用,平时的学习中还是应以几何法为首要选择,对于初中生而言,这是培养几何逻辑思维的重要途径,否则解析法反而会限制学生思维,阻碍思维发展,切记,莫滥用,逼不得已再使用,或者与几何法穿插交替使用,达到炉火纯青之境;

拿本题为例,最后一问提供的解析法其实就是在几何法分析的基础上,需要求临近位置时,再选取建系解析法.若本问一股脑地,不管三七二十一,一上来就直接开动解析法,未尝不可,但计算量过大,而且错过利用分类画图策略,确定临界位置的大好机会;

纯解析法,具体如下,仅供对比之用:

解析法的优势是基本上不动脑袋,只顾着计算,运算能力要求高,对比可见,很多计算都是无用功,根本不需要;几何法的优势是简洁美观,需要一颗玲珑剔透心,画出图形,结合图形慢慢分析,这对思维能力要求高,包括画图分析问题的能力等.其实两者结合,不失为妙法,两者相辅相成,彼此守望相助.

凡事无绝对,此题若改编成以下问题,笔者首推解析法:

(改编题)在原题的条件下,当E从点A运动到点D时,求圆心O运动的路径长.

这里提供了直线型路径问题的一种重要通法,即解析法,笔者给出如下结论:

①只要目标动点的横、纵坐标都是关于某个参数t的一次式时,该动点一定在某条定直线上运动;

②此直线的解析式可以通过令其横坐标为x,纵坐标为y,然后再消去参数t,得到y与x的一次函数关系式,即为目标动点所在的直线解析式;

③最后采取临界点法,找到目标动点的起点坐标与终点坐标,再利用两点间距离公式求出其长,即为所求路径长.

下面提供一道中考真题,供学生巩固练习之用:

就题论题而言,本题已经得到了较深入地解说与探究,但笔者绝不会止步于此,“学而不思、思而不变,废也”.解题、学习绝不能仅仅停留于题目本身,还应多思考、多探索,一道题、一课题,深入挖掘,收获更丰!


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