高1下册人教版数学 1.2应用举例(第1课时) 逐字稿-6,308字

  师:同学们好,在我国古代就有嫦娥奔月的神话故事。明月高悬,当我们仰望夜空,会有无限遐想,不禁会问:遥不可及的月亮离地球究竟有多远呢?这个问题对于现在的我们已不再是谜。但早在1671年,法国的两位天文学家就在思考这个问题。那时条件有限,他们是如何测量月亮与地球之间距离的呢?

  他们选择了几乎位于同一子午线的柏林与好望角,我们记为AB两点。通过测量计算出角α、β以及两地间的距离,从而算出月亮与地球间的距离约为385400千米。两位天文学家是如何根据这三个条件计算出月亮到A点以及到B点距离的呢?细心的同学可能发现了,这里构造了一个三角形,把要求的月亮到A点及B点的距离,转化为这个三角形的两条边。这样,问题就转化为已知三角形的两角及一边,求另外两边的数学问题。

  而我们现在正在学的正弦定理,就可以解决这样的问题。其实正弦定理和余弦定理在实际测量中有很多应用,比如能帮我们解决测量距离、高度、角度以及有关三角形的计算。那我们今天就来研究它们在实际测量距离问题中的应用。首先,我们一起来回忆一下正弦定理和余弦定理的有关内容。

  正弦定理指的是,在三角形中,各边与它所对的角的正弦比值相等,用符号表示为:(\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}=2R)((R)为其外接圆的半径)。

  余弦定理的内容是,三角形中任意一边的平方,等于另外两边的平方和减去这两边及其夹角余弦乘积的两倍。以(c)边为例,(c^{2}=a^{2}+b^{2}-2ab\cos C),(a^{2})、(b^{2})同样可以写出。把余弦定理经过简单变形就能得到它的推论:(\cos C = \frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab})。

  那正弦定理和余弦定理能够解决什么类型的三角形问题呢?同学们先思考一下。

  同学们,我们一起来回忆,如果一个三角形已知两角及一边,该如何求解呢?我们先把相关信息标上去,已知角(B)、角(C)以及边长(a)。此时,我们可以先借助三角形内角和等于(180^{\circ}),求出角(A),然后再用正弦定理求剩下的两个元素。

  如果已知两边及其中一边所对的角,我们仍然可以借助正弦定理解其余元素。把相关信息标上去,已知(a)、(b)和角(B),怎么求呢?我们先借助(\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B})这个等式,先求出(\sin A),从而求出角(A),然后借助三角形内角和(180^{\circ})求出角(C),进而求出边长(c)。

  如果已知三边的信息,那么我们可以用余弦定理的推论求出三个角。如果已知两边及其夹角,我们可以先运用余弦定理求第三边,再求剩下的元素。不管是哪一种类型,同学们会发现,要解三角形的六个元素,需要知道三个条件,而且这三个条件中至少要提供一个边的信息。

  那么我们现在进入今天的主题,来看例一:如何测定河两岸两点(AB)间的距离?这里有一点不可到达,不妨设(A)点不可到达,且在(B)点的同一侧。那如何测量(AB)呢?

  可能有同学已经注意到了,求(AB)的长度和测量月亮与地球间的距离很相似,都是有一点不可到达,所以我们可以借助刚才的测量方法来求(AB)。怎么求呢?构造三角形。我们在这里选择一个观测点(C),测量出(BC)的长度,生活中有很多测量距离的工具,比如钢卷尺之类的。然后连接(AC),运用测量角度的仪器测量出角(C)、角(B),分别记为(\alpha)、(\beta)。这样,这个三角形就已知两角及一边。同学们思考下,此时(AB)如何求出?

  同学们,我们一起来看。刚才已经说了,这一题可以借助正弦定理。正弦定理是指三角形中各边与所对的角的正弦比值相等。针对这一题,我们选择哪些边和角建立等量关系呢?我们一起来分析。题目让我们求(AB),那一定要用上,题目又给了(BC)边,所以我们可以说由正弦定理得(\frac{AB}{\sin C}=\frac{BC}{\sin A}),将有关信息代入,(\frac{AB}{\sin \alpha}=\frac{BC}{ \sin A})。我们发现题目中没有直接给出角(A),所以在解答过程中要先说明角(A = \pi - (\alpha + \beta))。

  最后经过简单运算,就能得到(AB = \frac{BC \cdot \sin \alpha}{\sin(\pi - (\alpha + \beta))}),这里(\sin(\pi - (\alpha + \beta)))可以用诱导公式进行简单处理,结果是(AB = \frac{BC \cdot \sin \alpha}{\sin(\alpha + \beta)}),这就是这一题的答案。

  在这里给大家介绍一个概念,在测量上,根据测量需要适当确定的线段叫做基线。如本例中的(BC),基线的选取不唯一,一般基线越长,测量的精确度越高。那同学们这题听懂了吗?现在我把条件变一下,同学们看这题该如何解决,我们一起来看例二。

  例二:如何测定河对岸两点(A)、(B)间的距离?在这一题中,同学们要注意两点(A)、(B)都不可到达。那如何测量呢?根据前面经验,要求(AB)可以构造三角形。现在我们选择一个观测点(C),构造三角形(ABC)。那我想问同学们,此时能求出(AB)吗?我们发现这个三角形中能直接测量的只有角(C),其他的边和角都无法直接测量出来。

  那如何解决这个问题呢?可能有同学已经发现了,(AC)和(BC)无法直接测量,但是(AC)和(BC)其实就是刚才例一中我们要解决的问题,所以我们可以采用例一中的解法,先求出(AC)、(BC),然后在三角形(ABC)中,已知两边及夹角,就可以求出(AB)。还记得例一是如何求(AC)的吗?我们可以再选一个观测点,比如说(D)点,测量出(CD)的长度,然后连接(AD)。在三角形(ADC)中,我们可以测量出角(D)及角(\angle ACD),然后用例一的方法就可以求出(AC)。同理,我们也可以求(BC),如何求呢?也可以找一个观测点,用刚才的方法来求。这里我们直接借用(CD),只要把(BD)连起来,然后测量角(\angle BDC)和角(\angle BCD)也可以求出(BC)。为了表达方便,我们把这四个角分别记为(\alpha)、(\beta)、(\gamma)、(\delta)。那同学们,你们现在来动笔试试看,如何用这些已知量表示出(AC)、(BC)及(AB)。

  同学们求出来了吗?我们一起来看一下。在三角形(ADC)中运用正弦定理得到(AC)的表达式是(\frac{CD \cdot \sin(\gamma + \delta)}{\sin(\beta + \gamma + \delta)})。在(\triangle BDC)中运用正弦定理得到(BC)的表达式。然后再在三角形(ABC)中运用余弦定理就可以直接求出(AB)。

  请同学们想一想,还有没有别的测量方法?在研究三角形时,灵活地根据两个定理可以寻找出多种解决问题的方案,但有些过程较繁琐。如何找出最优的方法,最主要的还是要分析两个定理的特点,结合题目条件来选择最佳的计算方法。课下同学们可以思考一下还有没有更巧妙的方法。

  接下来我们再来看生活中的一个实例,自动卸货汽车的车厢采用液压机构,设计时需要计算油泵顶杆(BC)的长度。已知车厢最大仰角(60^{\circ}),油泵顶点(B)到车厢(A)支点间的距离为(1.95)米,(AB)与水平线间的夹角为(6^{\circ}20'),(AC)为(1.40)米,计算(BC)长,精确到(0.01)米。

  我们首先来分析一下,在这个题目中有一个名词叫最大仰角,什么叫最大仰角呢?所谓最大,就是车厢已经倾斜到不能再倾斜为止。那什么叫仰角呢?仰角指的是在同一铅垂平面内,视线与水平线所成的角,如果视线在水平线的上方,这个角为仰角;如果视线在水平线的下方,这个角称之为俯角。弄清这个概念之后,那如何求(BC)呢?我们发现(BC)已经在三角形(ABC)中了,这是一个什么样的三角形?这个三角形中已知什么?要求什么?同学们现在拿出笔和纸,思考一下,画出并抽象出它的数学模型。

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