资源描述
1.3《正弦定理、余弦定理的应用》教学案
●三维目标
1.知识与技能
(1)能把一些简单的实际问题转化为数学问题,并能应用正弦定理、余弦定理及相关的三角公式解决这些问题;
(2)体会数学建模的基本思想,掌握应用解三角形知识解决实际问题的一般步骤;
(3)了解常用的测量相关术语(如:仰角、俯角、方位角、视角及坡度、经纬度等有关名词和术语的确切含义),综合运用正弦定理、余弦定理等知识和方法解决与测量学、航海问题等有关的实际问题;
(4)能够从阅读理解、信息迁移、数学化方法、创造性思维等方面,多角度培养学生分析问题和解决问题的能力;
(5)规范学生的演算过程:逻辑严谨,表述准确,算法简练,书写工整,示意图清晰.
2.过程与方法
(1)本节课是解三角形应用举例的延伸,利用正弦定理、余弦定理等知识和方法解决一些几何和物理上的问题;
(2)让学生进一步巩固所学的知识,加深对所学定理的理解,提高创新能力;进一步培养学生学习数学、应用数学的意识及观察、归纳、类比、概括的能力.
3.情感、态度与价值观
(1)激发学生学习数学的兴趣,并体会数学的应用价值;
(2)培养学生提出问题、正确分析问题、独立解决问题的能力,并在教学过程中激发学生的探索精神;
(3)培养学生运用图形、数学符号表达题意和应用转化思想解决数学问题的能力.
●重点、难点
重点:(1)综合运用正弦定理、余弦定理等知识和方法解决一些实际问题;
(2)掌握求解实际问题的一般步骤;
难点:根据题意建立数学模型,画出示意图.
体验将实际问题转化为数学问题的过程与思想,认识研究实际问题的方法,是本节教学的重中之重,而突破这一重难点的关键在于引导学生对实际问题进行分析,抽象出数学问题,再利用解三角形的知识加以解决.
教学方案设计
(教师用书独具)
●教学建议
在学生回忆正弦定理、余弦定理以及它们可以解决哪些类型的三角形的基础上,让学生尝试绘制知识纲目图.生活中错综复杂的问题本源仍然是我们学过的定理,因此系统掌握前一节内容是学好本节课的基础.解有关三角形的应用题有固定的解题思路,引导学生寻求实际问题的本质和规律,从一般规律到生活的具体运用,这方面需要多琢磨和多体会.
测量的主要内容是求角和距离,教学中要注意让学生分清仰角、俯角、张角、视角和方位角及坡度、经纬度等概念,将实际问题转化为解三角形问题.解决有关测量、航海等问题时,首先要搞清题中有关术语的准确含义,再用数学语言(符号语言、图形语言)表示已知条件、未知条件及其关系,最后用正弦定理、余弦定理予以解决.
能否灵活求解问题的关键是正弦定理和余弦定理的选用,有些题目只选用其一,或两者混用,这当中有很大的灵活性,需要对原来所学知识进行深入的整理、加工,鼓励一题多解,训练发散思维.借助计算机等多媒体工具来进行演示,利用动态效果能使学生更好地明辨是非、掌握方法.
引导学生总结解斜三角形应用题的一般步骤:
(1)分析:理解题意,分清已知与未知,画出示意图;
(2)建模:根据已知条件与求解目标,把已知量与求解量尽量集中在有关的三角形中,建立一个解斜三角形的数学模型;
(3)求解:利用正弦定理或余弦定理有序地解出三角形,求得数学模型的解;
(4)检验:检验上述所求的解是否符合实际意义,从而得出实际问题的解.
●教学流程
⇒⇒⇒⇒⇒⇒
课前自主导学
课标解读
1.巩固正、余弦定理的应用,熟练掌握解三角形的步骤与过程.(重点)
2.能够运用正、余弦定理等知识和方法解决一些与测量和几何计算有关的实际问题.(难点)
知识
实际测量中的有关术语
【问题导思】
小明出家门向南前进200米,再向东前进200米,到达学校上课.
1.小明的学校在家的哪个方向?
【提示】 东南方向.
2.能否用角度确定学校的方位?
【提示】 能.
名称
定义
图示
仰角
在同一铅垂平面内,视线在水平线上方时与水平线的夹角
续表
名称
定义
图示
俯角
在同一铅垂平面内,视线在水平线下方时与水平线的夹角
方向角
从指定方向线到目标方向线的水平角(指定方向线是指正北或正南或正东或正西,方向角小于90°)
南偏西60°
(指以正南
方向为始边,
转向目标方
向线形成的
角)
方位角
从正北的方向线按顺时针到目标方向线所转过的水平角
课堂互动探究
类型1
测量问题
例1 如图1-3-1所示,在塔底B处测得山顶C的仰角为60°,
图1-3-1
在山顶C测得塔顶A的俯角为45°,已知塔高AB为20 m,求山高CD.(精确到0.1 m)
【思路探究】 DC可放到△BCD中,要求CD,已知∠DBC=60°,∠CDB=90°,所以只需求BD或CB,在△ABC中,AB的长度已知,三个内角都可以求出,所以可求得CB,则CD=CB·sin 60°.
【自主解答】 由条件知∠DBC=60°,∠ECA=45°,
∴∠ABC=90°-60°=30°,∠ACB=60°-45°=15°,
∠CAB=180°-(∠ABC+∠ACB)=135°,
在△ABC中,由正弦定理得=,
∴BC===.
在Rt△BCD中,
CD=BC·sin∠CBD=×≈47.3(m).
∴山高CD约为47.3 m.
规律方法
1.本例是典型的测量高度问题,抽象出平面图形,并且将相应数据聚化到相应三角形中,十分关键.
2.测量高度的有关问题,大部分都是转化为同一铅垂面上的解三角形问题,但也有转化为立体图形的问题.
变式训练
如图1-3-2所示,空中有一气球C,
图1-3-2
在它的正西方A点测得它的仰角为45°,同时在它的南偏东60°的B点,测得它的仰角为30°,A,B两点间的距离为266米,这两个测点均离地1米,则气球离地多少米?
【解】 设OC=x,则OA=x,OB=x·tan 60°=x.
在△AOB中,∠AOB=90°+60°=150°,AB=266,
所以AB2=OA2+OB2-2OA·OBcos∠AOB
=x2+3x2-2x·x·(-)=7x2,
所以x=AB=×266=38(米),
所以气球离地(38+1)米.
类型2
航海问题
例2 甲船在A处遇险,在甲船西南10海里B处的乙船收到甲船的报警后,测得甲船是沿着东偏北105°的方向,以每小时9海里的速度向某岛靠近,如果乙船要在40分钟内追上甲船,问乙船至少应以什么速度、向何方向航行?
【思路探究】 画图→分析三角形满足条件→选择定理列方程→求相关量→作答
【自主解答】 如图所示:
设乙船速度为v海里/小时,在C处追上甲船,
∠BAC=45°+180°-105°=120°,
在△ABC中,由余弦定理得,
BC2=AC2+AB2-2AC·AB·cos ∠BAC,
(v)2=(×9)2+102-2××9×10×cos 120°,
整理得v=21.
又由正弦定理可知=,
∴sin B==×sin 120°=,
∴B≈21°47′.
即B应以每小时21海里的速度,按东偏北45°+21°47′=66°47′的角度航行.
规律方法
1.根据题意,恰当地画出三角形是解题的基础,将已知线段数量和角度,转化为要解三角形的边长和角度,是解题的关键.
2.有关角度问题,一般要涉及到方位角、方向角等概念,对这些数据,要恰当转化,合理运用.
变式训练
在海岸A处发现在其北偏东45°方向,距A处(-1)海里的B处有一艘走私船,在A处北偏西75°方向,距A处2海里的C处的缉私船以10海里/时的速度追走私船,此时走私船正以10海里/时的速度从B处向北偏东30°方向逃窜,则缉私船沿什么方向能最快追上走私船?并求出所需要的时间.
【解】 由题意画出示意图如图所示,设缉私船最快追上走私船所需时间为t小时,则CD=10t,BD=10t.
∵在△ABC中,AB=-1,AC=2,∠BAC=45°+75°=120°,
∴BC=
=
=.
∵=,
∴sin∠ABC===.
∵∠BAC=120°,∴∠ABC=45°,∴BC与正北方向垂直,
∴∠CBD=90°+30°=120°.
∵在△BCD中,由正弦定理得=,
所以sin∠BCD===.
∴∠BCD=30°或∠BCD=150°(舍去),
∴∠BDC=30°,∴BD=BC=,∴10t=,∴t=,
∴缉私船沿北偏东60°方向行驶能最快追上走私船,所需时间为小时.
类型3
平面几何问题
例3 如图1-3-3所示,在△ABC中,AC=b,BC=a,a<b,D是△ABC内一点,且A
图1-3-3
D=a,∠ADB+C=π,问C为何值时,凹四边形ACBD的面积最大?并求出最大值.
【思路探究】 在三角形ABD和三角形ABC中分别运用余弦定理,可先求出边BD的长,进而表达出凹四边形ACBD的面积.
【自主解答】 设BD=x,在△ABC和△ABD中,
根据余弦定理,
得AB2=a2+b2-2abcos C,
AB2=a2+x2-2axcos∠ADB=x2+a2+2axcos C,
∴a2+b2-2abcos C=x2+a2+2axcos C,
即x2+2axcos C+(2acos C-b)b=0,
解得x=b-2acos C,或x=-b(舍去).
于是凹四边形ACBD的面积
S=S△ABC-S△ABD=absin C-axsin∠ADB
=absin C-a(b-2acos C)sin C=a2sin 2C.
∴当C=时,凹四边形ACBD的面积最大,最大值为a2,此时BD=b-a.
规律方法
1.本例中,以角C为自变量,将凹四边形ACBD的面积表示为角C的三角函数,从而求解最值问题.
2.求解平面图形的面积最值问题,关键是恰当地设立角度为自变量,建立目标函数.
变式训练
如图1-3-4所示,已知扇形OAB,
图1-3-4
O为顶点,圆心角∠AOB=60°,半径为2 cm,在弧AB上有一动点P,由P引平行于OB的直线和OA相交于C,∠AOP=β.求△POC的面积的最大值以及此时的β值.
【解】 ∵PC∥OB,
∴∠ACP=∠AOB=60°.
∴∠PCO=120°,∠OPC=60°-β.
在△OCP中,由正弦定理得
=,
∴OC==,
S△OCP=·OC·OPsin β=××2sin β
==
==
=.
故当cos(2β-60°)=1,即当2β=60°,β=30°时,
S△OCP有最大值cm2.
易错易误辨析
过程不严谨,靠主观臆判而致误
典例 如图1-3-5所示的是曲柄连杆装置示意图,连杆AC=c,
图1-3-5
曲柄AB和曲轴BL所成的角为α,连杆AC和曲轴BL间的夹角为β,则α取什么值时,sin β最大?
【错解】 ∵点A在圆B上运动,
∴要使β,即∠ACB最大,只需点A在最高或最低点即可,
此时,△ABC中,∠ABC=90°,即α=90°时,AB=r,AC=c,sin β=sin∠ACB=为所求的最大值.
【错因分析】 上述解答中想当然地认为点A在最高或最低点时,sin β最大,虽然结论正确,但过程不严谨.
【防范措施】 建立目标函数,转化为三角函数最值问题,定量分析.
【正解】 在△ABC中,由正弦定理,得=,
∴sin β=sin α.
由对称性可知,只需讨论α∈[0,π]即可.
∵sin β=sin α≤,
∴当且仅当sin α=1,即α=时,sin β最大.
1.基础知识:
(1)有关术语:仰角、俯角、方向角、方位角;
(2)利用解三角形,求解实际应用题的方法及步骤.
2.基本技能:
(1)测量问题;
(2)航海问题;
(3)力学问题;
(4)最值问题.
3.思想方法:
(1)函数思想;
(2)转化思想;
(3)数形结合思想.
当堂双基达标
1.从A处望B处的仰角为α,从B处望A处的俯角为β,则α,β的关系是________.
【解析】 如图所示,∵AD∥BC,∴α=β.
【答案】 α=β
2.如图1-3-6所示,A、B两点中间有座山,从点C观测,AC=60 m,BC=160 m,∠ACB=60°,则AB=________.
图1-3-6
【解析】 AB=
==140(m)
【答案】 140 m
3.有一长为10 m的斜坡,坡角为75°,在不改变坡高和坡顶的前提下,通过加长坡面的方法将它的坡角改为30°,则坡底要延长________m.
【解】 如图所示,设将坡底加长到B′时,坡角为30°.
依题意,∠B′=30°,∠BAB′=45°,AB=10 m.
在△ABB′中,根据正弦定理得=,
则BB′==
=10(m),
即当坡底伸长10 m时,斜坡的坡角将变为30°.
【答案】 10
图1-3-7
4.如图1-3-7所示,某人在塔的正东C处沿着南偏西60°的方向前进40 m到D处以后,望见塔在东北方向.若沿途测得塔的最大仰角为30°,求塔的高度.
【解】 在△BDC中,CD=40 m,∠BCD=90°-60°=30°,
∠DBC=45°+90°=135°.
由正弦定理,得=,
∴BD===20(m).
在Rt△ABE中,tan∠AEB=,AB为定值,故要使∠AEB最大,需要BE最小.
即BE⊥CD,这时∠AEB=30°.
在Rt△BED中,∠BDE=180°-135°-30°=15°,
∴BE=BD·sin∠BDE=20sin 15°
=10(-1)(m).
在Rt△ABE中,AB=BEtan∠AEB
=10(-1)tan 30°
=(3-)(m),
即塔的高度为(3-)m.
课后知能检测
一、填空题
1.在相距2千米的A、B两点处测量目标点C,若∠CAB=75°,∠CBA=60°,则A、C两点之间的距离为________千米.
【解析】 ∠ACB=180°-75°-60°=45°,由正弦定理得==,AC=.
【答案】
2.在200米高的山顶上,测得山下一塔顶与塔底的俯角分别是30°和60°,则塔高为________米.
【解析】 如图所示,在Rt△EBD中,∠DBE=60°,
∴BE=200×,在Rt△CBE中,CE=BE tan 30°
=×=,
∴CD=(米)
【答案】
3.CD是京九铁路线上的一条穿山隧道,开凿前,在CD所在水平面上的山体外取点A,B,并测得四边形ABCD中,∠ABC=,∠BAD=π,AB=BC=400米,AD=250米,则应开凿的隧道CD的长为________.
【解析】 如图所示,在△ABC中,AB=BC=400米,∠ABC=,∴AC=AB=400米,∠BAC=.∴∠CAD=∠BAD-∠BAC=-=.
∴在△CAD中,由余弦定理,得CD2=AC2+AD2-2AC·AD·cos∠CAD=4002+2502-2·400·250·cos=122 500,∴CD=350(米).
【答案】 350米
4.某人朝正东方向走x km后,向朝南偏西60°的方向走3 km,结果他离出发点恰好 km,那么x的值为________.
【解析】 如图所示,∠ABC=90°-60°=30°,
∴()2=32+x2-2×3xcos 30°
∴x2-3x+6=0
∴x=或2
【答案】 或2
5.如图1-3-8所示,甲船在A处观察乙船,乙船在它的北偏东60°的方向,两船相距a海里,乙船正向北行驶,若甲船是乙船速度的倍,甲船为了尽快追上乙船,则应取北偏东________(填角度)的方向前进.
【解析】
图1-3-8
由题意知,AC=BC,∠ABC=120°,
由正弦定理知,
=,
∴sin ∠CAB=,
∴∠CAB=30°,
∴∠CAD=60°-30°=30°.
【答案】 30°
6.(2013·威海高二检测)上海世博园中的世博轴是一条1 000 m长的直线型通道,中国馆位于世博轴的一侧.现测得中国馆到世博轴两端的距离相等,并且从中国馆看世博轴两端的视角为120°.据此数据计算,中国馆到世博轴其中一端的距离是________m.
【解析】 如图所示,设A,B为世博轴的两端点,C为中国馆,由题意知∠ACB=120°,且AC=BC,过C作AB的垂线交AB于D,在Rt△CBD中,DB=500 m,∠DCB=60°,∴BC= m.
【答案】
7.有一两岸平行的河流,水速为1 m/s,小船的速度为m/s,为使所走路程最短,小船应朝______方向行驶.
【解析】
如图所示,AB是水速,AD为船速,AC是船的实际速度,且AC⊥AB,在Rt△ABC中,cos ∠ABC====,
∴∠ABC=45°,∴∠DAB=90°+45°=135°.
【答案】 与水流向成135°
8.一艘船向正北航行,看见正西方有相距10海里的两个灯塔恰好与它在一条直线上,继续航行半小时后,看见一灯塔在船的南偏西60°,另一灯塔在船的南偏西75°,则这只船的速度是每小时________海里.
【解析】
先画出示意图,设半小时行程为s海里,所以s·tan 75°-s·tan 60°=10,即(2+)·s-s=10,s=5,
∴速度为10海里/时.
【答案】 10
二、解答题
9.在某次军事演习中,红方为了准确分析战场形势,在两
图1-3-9
个相距为的军事基地C和D测得蓝方两支精锐部队分别在A处和B处,且∠ADB=30°,∠BDC=30°,∠DCA=60°,∠ACB=45°,如图1-3-9所示,求蓝方这两支精锐部队的距离.
【解】 ∵∠ADC=∠ADB+∠CDB=60°,
又∵∠ACD=60°,∴∠DAC=60°,
∴AD=CD=AC=a.
在△BCD中,∠DBC=180°-30°-105°=45°,
∵=,
∴BD=CD·
=a·=a.
在△ADB中,
∵AB2=AD2+BD2-2·AD·BD·cos∠ADB
=a2+(a)2-2×a·a·=a2,
∴AB=a,∴蓝方这两支精锐部队的距离为a.
10.某海上养殖基地A,接到气象部门预报,位于基地南偏东60°相距20(+1)海里的海面上有一台风中心,影响半径为20海里,正以每小时10海里的速度沿某一方向匀速直线前进,预计台风中心将从基地A东北方向刮过且(+1)小时后开始影响基地A,持续2小时.求台风移动的方向.
【解】
如图所示,设预报时台风中心为B,开始影响基地A时台风中心为C,基地A刚好不受影响时台风中心为D,
则B、C、D在一直线上,且AD=20,AC=20.
由题意得AB=20(+1),DC=20,BC=(+1)·10.
在△ADC中,
∵DC2=AD2+AC2,
∴∠DAC=90°,∠ADC=45°.
在△ABC中,由余弦定理得
cos ∠BAC==,
∴∠BAC=30°.
又∵B位于A南偏东60°,60°+30°+90°=180°,
∴D位于A的正北方向,又∵∠ADC=45°,
∴台风移动的方向为向量的方向,即北偏西45°方向.
11.某建筑工地上,一工人从废料堆中找到了一块扇形薄钢板,其半径为R,中心角为60°.该工人决定将此废钢板再利用,从中截一块内接矩形小钢板备用,如图1-3-10所示,问:他应怎样截取,会使截出的小钢板面积最大?
(1) (2)
图1-3-10
【解】 在图(1)中,在上取一点P,过P作PN⊥OA于N,过P作PQ⊥PN交OB于Q,再过Q作QM⊥OA于M.
设∠AOP=x,PN=Rsin x,在△POQ中,
由正弦定理,得=.
∴PQ=Rsin(60°-x),
∴S=PN·PQ=R2sin x·sin(60°-x)=R2[cos(2x-60°)-cos 60°]≤R2(1-)=R2.
当cos(2x-60°)=1即x=30°时,S取得最大值R2.
在图(2)中,取中点C,连结OC,在上取一点P,过P作PQ∥OC交OB于Q,过P作PN⊥PQ交于N,过Q作QM⊥PQ交CA于M,连结MN得矩形MNPQ,OC与AP交于D.
设∠POC=x,则PD=Rsin x.
在△POQ中,由正弦定理得:
=,
∴PQ=2Rsin(30°-x).
∴S=2PD·PQ=4R2sin x·sin(30°-x)
=2R2[cos(2x-30°)-cos 30°]
≤2R2(1-cos 30°)=(2-)R2(当x=15°时取“=”).
∴当x=15°时,S取得最大值(2-)R2.
∵R2>(2-)R2,
∴作∠AOP=30°,按图(1)划线所截得的矩形小钢板面积最大.
教师备课资源
备选例题
如图所示,墙上有
一个三角形灯架OAB,灯所受重力为10 N,OA、OB都是细杆,只受沿杆方向的力,试求杆OA,OB所受的力的大小.(精确到0.1 N)(sin 50°≈0.77,sin 70°≈0.94)
【思路探究】 根据力的合成与分解法则建立数学模型,将物理学中的问题转化为解三角形问题.
【自主解答】 设O点沿OE方向所受到的力为F,作=F,将F沿A到O,O到B的两个方向进行分解,即作▱OCED,
设==F1,=F2,
由题设条件可知:
||=10,∠OCE=50°,∠OEC=70°,
∴∠COE=180°-50°-70°=60°.
在△OCE中,由正弦定理得:
==,
∴|F1|=≈11.2,|F2|=≈12.2.
答:灯杆AO所受的力的大小为11.2 N,灯杆OB所受的力的大小为12.2 N.
规律方法
1.用数学知识研究物理问题的方法是:首先把物理问题转化成数学问题,即将物理量之间的关系抽象成数学模型,然后利用建立起来的数学模型解释和回答相关的物理现象.
2.正弦定理、余弦定理在力学问题中经常用到,画出受力分析图,转化为解三角形的问题进行求解.
备选变式
平面内三个力F1、F2、F3作用于同一点且处于平衡状态,已知|F1|=1 N,|F2|= N,F1与F2的夹角为45°,求F3的大小及F1与F3的夹角.
【解】 如图所示,设F1与F2的合力为F,则|F|=|F3|,
∵∠AOB=45°,∴∠OAC=135°.
在△OAC中,由余弦定理得
||2=||2+||2-2||·||·cos 135°=1+()2-2×1××(-)=4+2,
∴||=1+,即|F3|=1+.
又由正弦定理得
sin∠AOC==,
∴∠AOC=30°,从而F1与F3的夹角为150°.
∴F3的大小是(1+)N,F1与F3的夹角为150°.
拓展
三角学
三角学起源于对三角形边角关系的定量考察,这始于古希腊的喜帕恰斯、梅内劳斯和托勒密等人对天文的测量,因此在相当长的一个时期里,三角学隶属于天文学,而在它的形成过程中利用了当时已经积累得相当丰富的算术、几何(包括球面几何)和天文知识.鉴于此种原因,作为独立的数学分支前,它的贡献者主要是一些天文学家,如印度的阿耶婆多、纳速拉丁等人.
13世纪起,含于天文学中的三角知识传入欧洲,并在欧洲出现新的发展.
1464年数学家雷基奥蒙坦著《论各种三角形》,独立于天文学之外对三角知识作了较系统的阐述;1595年,德国的皮蒂斯楚斯(Pitiscus,1561-1613)著《三角学:解三角形的简明处理》,首次将拉丁文“trigonon(三角形)”和“metron(测量)”组合成trigonametriae,即“三角形”.
1631年,三角学传入中国.同年,德国传教士邓玉函、汤若望和明朝学者徐光启编译成《大测》一书.“大测者,观三角形之法也.”可见“大测”与当时的“三角学”的意义是一样的.不过,“大测”的名称并不通行,三角在中国早期比较通行的名称是“八线”和“三角”.“八线”是指在单位圆上的八种三角函数线:正弦线、余弦线、正切线、余切线、正割线、余割线、正矢线、余矢线,如1894年上海美华书馆出版的《八线备旨四卷》和1906年方克猷撰写的《八线法衍》等书都已记载.
“三角”这一名称最早见之于1653年薛凤祚和穆尼阁合著的《三角算法》.“三角”一词指“三角学”或“三角法”或“三角术”.
事实上,直到1956年中国科学院编译出版委员会编订《数学名词》时,仍将这三者同义.现在“三角术”和“三角法”已不常用.
三角学的现代发展已经结束,随着现代数学的综合性趋势加强,其中的一些内容已分属于数学的其他学科,如三角函数可归于分析学,三角测量可归于几何学,三角函数式的恒等变形可归于代数学.
从这个意义上说,作为独立的数学分科的三角学已渐渐消失,但作为刻画周期性现象的三角函数,仍然发挥着巨大的作用.
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