师:同学们,在解决测量、工程、航海等实际问题时,很多都要用到解三角形的知识。本节课,我们将通过一些实例,让大家感受解三角形知识的重要性,体会数学建模的思想,掌握数学建模的方法。为了更好地学习,我们先回顾几个概念。
仰角和俯角:在视线与水平线所成的角中,视线在水平线上方的角为仰角,在水平线下方的角为俯角。
方位角:从指北方向顺时针转到目标方向线所成的角,叫做方位角。如B点的方位角为α。
方向角:相对于某一正方向的水平角。北偏东α度,即由指北方向顺时针旋转α度到达目标方向;北偏西α度,即由正北方向逆时针旋转α度到达目标方向,其他方向类似。
正弦定理:$\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}=2R$(R是三角形ABC外接圆的半径)。正弦定理能解决两类斜三角形问题:一类是已知两角和一边,求剩余的两边和一角;另一类是已知任意两边和其中一边的对角,求另外一边所对的角,进而求出剩余的边和角。
余弦定理:$a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos A$以及类似的两个式子。余弦定理也能解决两类斜三角形问题:一类是已知三边求三角,另一类是已知两边和它们的夹角求剩余的边和角。
下面我们来看第一个案例。自动卸货汽车采用液压机构,设计时需要计算油泵顶杆BC的长度。如图所示,已知车厢的最大仰角为60度(指车厢AC与水平线夹角),油泵顶点B与车厢支点A之间的距离为1.95米,AB与水平线之间的夹角为6度20分,AC长为1.4米,计算BC的长度,结果精确到0.01米。
大家看图思考问题一:你能将图中的实际问题描绘成数学图形的问题吗?首先,车厢AC与水平线夹角为60度,我们连接AC并做出水平线;油泵顶点B与车厢支点A之间的距离为1.95米,我们连接BA并标上长度;AB与水平线之间的夹角为6度20分,我们做出水平线;AC长为1.4米,我们标上数据;计算BC的长度,连接BC,去除干扰因素,这样就做出了数学图形。
大家继续看图思考问题二:已知哪些条件,需要算出什么?这个问题就是在三角形ABC中,已知AB的长是1.95米,AC的长1.40米,∠BAC = 60度 + 6度20分 = 66度20分。我们要做的是求出BC的长。到这里,这个实际问题通过画出示意图分析已知和未知,已经彻底抽象概括成了一个数学模型,这个过程就是数学建模。
大家继续看图思考问题三:可以利用我们学习的什么知识求解?由于已知两边和它们的夹角,所以可以根据余弦定理求出BC。下面我们给出解答过程。
由余弦定理得:$BC^{2}=AB^{2}+AC^{2}-2AB\cdot AC\cdot\cos\angle BAC$,代入数据得:$BC^{2}=1.95^{2}+1.40^{2}-2×1.95×1.40×\cos66度20分$。其中66度20分的余弦可借助三角函数计算器求得为0.4014,计算结果约等于3.571,所以BC的长约等于1.89米。
到这里,这个数学模型的解已经得出,请大家思考问题四:实际问题得到解决了吗?我们还要将这个模型的解还原到实际问题中。答:顶杆BC长约1.89米。
通过这道例题,我们可以总结出用解三角形的知识解决实际问题时的一般思路如下:
一、读懂题意,理解问题的实际背景,明确一些名词的含义,如仰角、俯角、方位角、方向角等,理清量与量之间的关系。
二、将实际问题的各种要素提取出来,分清已知与所求,抓住主要元素角与线段,构造出一个或多个三角形,根据题意画出示意图,将实际问题抽象成解三角形模型。
三、正确选择正弦定理或者余弦定理等三角形知识解三角形。
四、将三角形的解还原为实际意义,注意实际问题与抽象的数学问题在单位、近似计算上的差异。
如果用流程图来表示,首先是得到实际问题,然后抽象概括出它的数学模型,并画出示意图;再通过演算推理得到数学模型的解;最后将数学模型的解还原到实际问题。这里的数学模型很多是解三角形问题,数学模型的解也就是三角形问题的解。
下面请同学们自己来试试练习一。
师:好,下面我们一起来完成这道题。我们先一起来再读一遍题目,如图所示,在加工缝纫机挑线杆时,需要计算AC两孔中心的距离。已知BC的长60.5毫米,AB的长15.8毫米,∠ABC = 80度,求AC的长度,结果精确到0.01毫米,提示80度的余弦约为0.1736。
这个问题我们很容易画出示意图三角形ABC。根据题意可以发现拥有的条件是:BC = 60.5毫米,AB = 15.8毫米,∠ABC = 80度,需要求的未知量是AC。到此我们已经抽象出了数学模型。下面只需运用解三角形的知识求解即可,很明显条件是两边和它们的夹角,所以我们可以借助余弦定理解决。下面我们给出解答过程。
解:由余弦定理可得,$AC^{2}=BC^{2}+AB^{2}-2BC\cdot AB\cdot\cos B$,代入数据约等于$60.5^{2}+15.8^{2}-2×60.5×15.8×0.1736$,可计算出结果约等于3578.002,所以AC约等于59.82毫米。
最后,我们还需还原到实际问题。答:AC约长59.82毫米。
相信大家都完成得非常好。同学们在实际的测量过程当中,经常还会出现一些不可到达的测量问题,这就更需要我们借助三角形的知识来解决。这是一个烟囱高度的测量问题,我们不容易到达烟囱顶部进行直接测量,但是可以借助卷尺和测角仪器算出烟囱的高度。
如果我们能够顺利到达烟囱底部,而且能够展开测量的话,那我们可以在烟囱底部的同一水平直线上找到一个点,然后测出烟囱的仰角,测出它到烟囱底部的距离,借助直角三角形的知识算出烟囱的高。但是就这一幅图所体现的情形而言,烟囱周围非常拥挤,如果这个点选得离烟囱比较近,那么不便于我们展开测量仰角;如果这个点选择得比较远,由于围墙的遮挡,不容易测出这个点到烟囱底部的距离。所以一个点的方式在这一题可能行不通。那么我们试一试在烟囱底部同一水平直线上找两个点行不行?
假设C、D两点都在烟囱底部的同一水平线上,在这两个位置分别用高为1.5米的测角器测得烟囱的仰角分别是45度和60度,CD之间的距离是12米,那我们能否算出烟囱的高度呢?我们还是按照刚刚研究实际问题的过程,先画出示意图,找到已知元素和未知元素,从而得到数学模型;再通过推理演算得到数学模型的解;最后将数学模型的解还原到实际问题。
