内容正文:
数学 选择性必修 第一册[RJ]
第2课时 抛物线的方程及性质的应用
(教师独具内容)
课程标准:1.理解直线与抛物线的位置关系.2.了解抛物线的简单应用.
教学重点:1.直线与抛物线位置关系的判定方法.2.解决弦长、弦中点等问题.
教学难点:抛物线性质的综合应用及数形结合思想、方程思想、转化思想在研究问题和解决问题中的应用.
核心素养:通过运用抛物线的方程与性质解决问题,提升逻辑推理及数学运算素养.
知识点一 直线与抛物线的位置关系
直线y=kx+b与抛物线y2=2px(p>0)的公共点的个数决定于关于x的方程组解的个数,即二次方程k2x2+2(kb-p)x+b2=0解的个数.
当k≠0时,若Δ>0,则直线与抛物线有两个公共点;若Δ=0,则直线与抛物线有一个公共点(此时直线与抛物线相切);若Δ<0,则直线与抛物线没有公共点.
当k=0时,直线与抛物线的轴平行或重合,此时直线与抛物线有一个公共点.
[说明] 直线与抛物线公共点的个数,等价于直线方程与抛物线方程联立得到的方程组解的个数.注意直线斜率不存在和得到的方程二次项系数为0的情况.
知识点二 一般弦长
设斜率为k的直线l与抛物线相交于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,则|AB|=|x1-x2|=·
或|AB|=|y1-y2|=·(k≠0).
1.(直线与抛物线的位置关系)已知直线y=kx-k及抛物线y2=2px(p>0),则( )
A.直线与抛物线有一个公共点
B.直线与抛物线有两个公共点
C.直线与抛物线有一个或两个公共点
D.直线与抛物线可能没有公共点
答案 C
2.(直线与抛物线相切)与直线2x-y+4=0平行的抛物线y=x2的切线方程为( )
A.2x-y+3=0 B.2x-y-3=0
C.2x-y+1=0 D.2x-y-1=0
答案 D
3.(一般弦长问题)已知抛物线C:y2=x,直线l:y=x-2,直线l与抛物线C交于A,B两点,则|AB|=________.
答案 3
题型一 直线与抛物线的位置关系
已知抛物线C:y2=-2x,过点P(1,1)的直线l的斜率为k,当k取何值时,l与C:有且仅有一个公共点?有两个公共点?无公共点?
[解] 直线l:y-1=k(x-1),
将x=-代入整理,得
ky2+2y+2k-2=0.
①当k=0时,把y=1代入y2=-2x,得x=-,直线l与抛物线C只有一个公共点.
②当k≠0时,Δ=4-4k(2k-2)=-8k2+8k+4.
由Δ=0,得k=,
∴当k<或k>时,Δ<0,l与C无公共点;
当k=时,Δ=0,l与C有且仅有一个公共点;
当<k<且k≠0时,Δ>0,l与C有两个公共点.
综上,当k=或k=0时,l与C有且仅有一个公共点;
当<k<0或0<k<时,l与C有两个公共点;
当k<或k>时,l与C无公共点.
感悟提升 直线与抛物线公共点个数的判断方法
设直线l:y=kx+m,抛物线:y2=2px(p>0),将直线方程与抛物线方程联立整理成关于x的方程ax2+bx+c=0,
①若a≠0,
当Δ>0时,直线与抛物线有两个公共点;
当Δ=0时,直线与抛物线有一个公共点;
当Δ<0时,直线与抛物线无公共点.
②若a=0,直线与抛物线有一个公共点,此时直线平行于抛物线的对称轴或与对称轴重合.
已知点A(0,2)和抛物线C:y2=6x,求过点A且与抛物线C有且仅有一个公共点的直线l的方程.
解 当直线l的斜率不存在时,由直线l过点A(0,2)可知,直线l就是y轴,其方程为x=0.
由得y=0.
此时直线l与抛物线C只有一个公共点O(0,0).
若直线l的斜率存在,则设直线l的方程为y=kx+2.
这个方程与抛物线C的方程联立得方程组
消去x,得ky2-6y+12=0.①
当k=0时,得-6y+12=0,即y=2,可知此时直线l与抛物线交于点;
当k≠0时,关于y的二次方程①的判别式Δ=36-48k.
由Δ=0得k=,可知此时直线l与抛物线C有且仅有一个公共点,直线l的方程为y=x+2,即3x-4y+8=0.
因此,直线l的方程为x=0或3x-4y+8=0或y=2.
题型二 与抛物线有关的弦长、弦中点问题
(1)(2024·河北衡水第二中学期中)若抛物线x2=2py(p>0)的焦点为F,直线l:y=2x+与抛物线交于A,B两点,且|AF|-|BF|=,则|AB|=( )
A.4 B.
C.2 D.
[解析] 抛物线x2=2py(p>0)的焦点F,直线y=2x+过抛物线的焦点F,设A(x1,y1),B(x2,y2),根据抛物线的定义可知|AF|=y1+,|BF|=y2+,|AF|-|BF|=y1-y2=,由消去x并化简,得y2-9py+=0,所以y1+y2=9p,y1y2=,由y1-y2=,两边平方,得(y1-y2)2=,(y1+y2)2-4y1y2=,81p2-p2=80p2=,p2=,p=,所以|AB|=y1+y2+p=10p=10×=.故选D.
[答案] D
(2)(2024·琼海嘉积中学高二月考)已知抛物线C:y2=2px(p>0),点P(2,1)在直线l上,直线l绕点P(2,1)旋转,与C交于A,B两点.当直线l垂直于x轴时,|AB|=4.
①求抛物线C的方程;
②当点P为弦AB的中点时,求直线l的方程.
[解] ①把x=2代入y2=2px,则y=±2,
∴|AB|=4=4,即p=2,
∴抛物线C的方程为y2=4x.
②设A(x1,y1),B(x2,y2),则y=4x1,y=4x2,
将以上两式相减,得y-y=4(x2-x1),·(y2+y1)=4,
∴直线l的斜率k===2,
则直线l的方程为y-1=2(x-2),即2x-y-3=0.
【解法探究】本例(2)中第②问还可以怎样解答?
解 易知直线l不与y轴垂直,故设其方程为m(y-1)=x-2,
由消去x整理,得
y2-4my+4m-8=0.(*)
设A(x1,y1),B(x2,y2),则y1+y2=4m,y1y2=4m-8,
由点P(2,1)是弦AB的中点,知=1,
故y1+y2=2,
所以4m=2,m=.此时方程(*)的判别式Δ>0,所以直线l的方程为(y-1)=x-2,即2x-y-3=0.
感悟提升 弦中点问题的两种解题策略
(1)点差法:将两个交点的坐标代入抛物线的方程,作差,由k=求斜率,再由点斜式求解.
(2)传统法:设直线方程,并与抛物线方程联立,消去x(或y)得关于y(或x)的一元二次方程,由根与系数的关系,得两根之和即为中点纵(或横)坐标的2倍,从而求斜率.
(1)已知抛物线y2=2x,过点Q(2,1)作一条直线交抛物线于A,B两点,则弦AB中点的轨迹方程为________.
答案 =x-
解析 设弦AB的中点为M,并设A,B,M的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x,y).当直线的斜率不存在时,易得M(2,0).当直线的斜率存在时,x1≠x2,
由题意有
由①-②,得y-y=2(x1-x2),所以=.又因为kAB=kMQ,即=(x≠2).所以=,即y2-y=x-2,所以=x-(x≠2).又点(2,0)适合上式,故弦AB中点的轨迹方程为=x-.
(2)设点P(x,y)(y≥0)为平面直角坐标系Oxy内的一个动点(其中O为原点),点P到定点M的距离比到x轴的距离大.
①求点P的轨迹方程;
②若直线l:y=kx+1与点P的轨迹交于A,B两点,且|AB|=2,求实数k的值.
解 ①过点P作x轴的垂线且垂足为N,则|PN|=y,由题意知|PM|-|PN|=,
∴=y+,
化简,得x2=2y.
故点P的轨迹方程为x2=2y.
②由题意设A(x1,y1),B(x2,y2),
联立
消去y化简,得x2-2kx-2=0,显然Δ>0,
∴x1+x2=2k,x1x2=-2.
∵|AB|=·
=·=2,∴k4+3k2-4=0,
又k2≥0,∴k2=1,∴k=±1.
题型三 抛物线中的综合问题
(2024·江苏响水中学高二期中)已知抛物线C:y=4x2上有一动点P(x0,y0),x0>0,过点P作抛物线C的切线l交y轴于点Q.
(1)判断线段PQ的垂直平分线是否过定点?若过,求出定点坐标;若不过,请说明理由;
(2)过点P作l的垂线交抛物线C于另一点M,若切线l的斜率为k,设△PQM的面积为S,求的最小值.
[解] (1)依题意可知切线PQ的斜率存在,且斜率大于0.
设直线PQ的方程为y=kx+b,k>0.
由消去y并化简,得4x2-kx-b=0,
由Δ=0,得k2+16b=0,b=-,则4x2-kx-b=4x2-kx+==0,
解得x=,所以P,
在y=kx+b中,令x=0,得y=b,所以Q,
则PQ的中点为,所以线段PQ的中垂线方程为y=-,
即y=-x+,
所以线段PQ的垂直平分线过定点F.
(2)由(1)可知,直线PM的方程为y-=-,即y=-x++.
由消去y并化简,得4x2+x--=0,
所以xPxM=,
又xP=,所以xM=--,
P,Q,
|PQ|==,
|PM|=·|xP-xM|
=·.
所以S=|PQ|·|PM|=···=,
所以===≥=.
当且仅当k2=,即k=1时,等号成立.
所以的最小值为.
感悟提升 在直线与抛物线的综合题中,经常遇到求定值、过定点、求最值或范围等问题.解决这类问题的方法有很多,如斜率法、方程法、向量法、参数法等.解决这些问题的关键是代换和转化.
圆锥曲线中的定点、定值问题,常选择一参数来表示要研究问题中的几何量,通过运算找到定点、定值,说明与参数无关,也常用特值探路法找定点、定值.
已知抛物线G:x2=2py(p>0)上一点R(m,4)到其焦点的距离为.
(1)求p与m的值;
(2)若斜率为-2的直线l与抛物线G交于P,Q两点,M为抛物线G上一点,其横坐标为1,记直线PM的斜率为k1,直线QM的斜率为k2,试问:k1+k2是否为定值?并证明你的结论.
解 (1)根据抛物线的定义,点R(m,4)到焦点的距离等于它到准线的距离,即4+=,解得p=,
所以抛物线的方程为x2=y.
因为点R(m,4)在抛物线上,
所以m2=4,所以m=±2.
(2)设直线l的方程为y=-2x+b,
P(x1,y1),Q(x2,y2),
联立得x2+2x-b=0,
当Δ>0,即4+4b>0,即b>-1时,直线l与抛物线有两个公共点,此时x1+x2=-2.
因为点M的坐标为(1,1),且x=y1,x=y2,
所以k1===x1+1,
k2===x2+1,
所以k1+k2=x1+1+x2+1=x1+x2+2=-2+2=0,
所以k1+k2为定值0.
1.过点(-1,0)且与抛物线y2=x有且仅有一个公共点的直线有( )
A.1条 B.2条
C.3条 D.4条
答案 C
解析 点(-1,0)在抛物线y2=x的外部,故过点(-1,0)且与其有且仅有一个公共点的直线有三条,其中两条为切线,一条为x轴.
2.直线2x-y-4=0与抛物线y2=6x交于A,B两点,则线段AB的长度为( )
A.8 B.
C. D.
答案 B
解析 设A(x1,y1),B(x2,y2),联立消去y并整理,得2x2-11x+8=0,Δ>0.则x1+x2=,x1x2=4.所以|AB|=·=×=.故选B.
3.若直线x-y=2与抛物线y2=4x交于A,B两点,则线段AB的中点坐标是________.
答案 (4,2)
解析 由得x2-8x+4=0,设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=8,y1+y2=x1+x2-4=4,故线段AB的中点坐标为(4,2).
4.若直线y=x-1与抛物线y=ax2(a≠0)只有一个公共点,则a=________.
答案
解析 由消去y得ax2-x+1=0.∵a≠0,直线y=x-1与抛物线y=ax2只有一个公共点,∴一元二次方程ax2-x+1=0有两个相等实根,∴判别式Δ=(-1)2-4a=0,∴a=.
5.已知y=x+m与抛物线y2=8x交于A,B两点,若OA⊥OB(O为原点),则实数m的值为________.
答案 -8
解析 由消去y,得x2+(2m-8)x+m2=0.由Δ=(2m-8)2-4m2=64-32m>0,得m<2.设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=8-2m,x1x2=m2,y1y2=m(x1+x2)+x1x2+m2=8m.因为OA⊥OB,所以x1x2+y1y2=m2+8m=0,解得m=-8或m=0(舍去).所以m=-8,经检验符合题意.
一、选择题
1.设直线l1:y=2x,直线l2经过点P(2,1),抛物线C:y2=4x,已知直线l1,l2与抛物线C共有三个公共点,则满足条件的直线l2的条数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
答案 C
解析 ∵点P(2,1)在抛物线内部,且直线l1与抛物线C有两个公共点,设为A,B两点,∴当过点P的直线l2过点A或过点B或与x轴平行时符合题意.∴满足条件的直线l2共有3条.
2.已知过点P(1,0)的直线l交抛物线y2=3x于M,N两点,若=3,则|MN|=( )
A. B.2
C. D.
答案 D
解析 易知直线l的斜率存在,设直线l的方程为y=k(x-1),由消去x,得ky2-3y-3k=0.设M(x1,y1),N(x2,y2),则y1+y2=,y1y2=-3 ①.由=3,得y1=-3y2 ②.由①②可解得k=±.由弦长公式可得|MN|=
=.故选D.
3.(2024·湖北部分县市重点中学高二期中)若抛物线y2=x上两点A(x1,y1),B(x2,y2)关于直线y=x+b对称,且y1y2=-1,则AB中点的坐标为( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 因为抛物线y2=x上两点A(x1,y1),B(x2,y2)关于直线y=x+b对称,故AB和直线y=x+b垂直,所以=-1==,故y1+y2=-1,又y1y2=-1,所以x1+x2=y+y=(y1+y2)2-2y1y2=3,故AB中点的坐标为,即.故选B.
4.已知直线y=k(x+2)(k>0)与抛物线C:y2=8x交于A,B两点,F为C的焦点.若|FA|=2|FB|,则k=( )
A. B.
C. D.
答案 D
解析 设A(x1,y1),B(x2,y2),易知x1>0,x2>0,y1>0,y2>0,由得k2x2+(4k2-8)x+4k2=0,当Δ>0时,有x1x2=4 ①.∵|FA|=x1+=x1+2,|FB|=x2+=x2+2,且|FA|=2|FB|,∴x1=2x2+2 ②.由①②得x2=1,∴B(1,2),代入y=k(x+2),得k=,满足Δ>0.故选D.
5.(多选)已知抛物线C:y2=4x的焦点为F,准线为l,过点F的直线与抛物线交于P(x1,y1),Q(x2,y2)两点,点P在l上的射影为P1,则下列说法正确的是( )
A.若x1+x2=6,则|PQ|=8
B.以PQ为直径的圆与准线l相切
C.设M(0,1),则|PM|+|PP1|≥
D.过点M(0,1)与抛物线C有且仅有一个公共点的直线至多有2条
答案 ABC
解析 对于A,因为p=2,所以|PQ|=x1+x2+2=8,故A正确;对于B,设N为PQ的中点,点N在l上的射影为N1,点Q在l上的射影为Q1,则由梯形的性质可得|NN1|===,所以以PQ为直径的圆与准线l相切,故B正确;对于C,因为F(1,0),所以|PM|+|PP1|=|PM|+|PF|≥|MF|=,故C正确;对于D,显然直线x=0,y=1与抛物线只有一个公共点,设过M的直线为y=kx+1(k≠0),联立可得k2x2+(2k-4)x+1=0,令Δ=0,则k=1,所以直线y=x+1与抛物线也只有一个公共点,所以共有三条直线符合题意,故D错误.故选ABC.
6.(多选)(2024·盐城阜宁中学高二期中)已知O为原点,点A(-2,-1)在抛物线C:x2=-2py(p>0)上,过点B(0,1)的直线交抛物线C于P,Q两点,则下列结论正确的是( )
A.抛物线C的准线方程为y=1
B.直线AB与抛物线C相切
C.·为定值3
D.|BP|·|BQ|>|BA|2
答案 ABD
解析 对于A,因为点A(-2,-1)在抛物线C:x2=-2py(p>0)上,则4=2p,解得p=2,所以抛物线C:x2=-4y,其准线方程为y=1,故A正确;对于B,由题意可得,kAB==1,则直线AB的方程为y=x+1,联立消去y,得x2+4x+4=0,因为Δ=0,所以直线AB与抛物线C相切,故B正确;
对于C,由题意可知,直线PQ的斜率存在,设直线PQ的方程为y=kx+1,P(x1,y1),Q(x2,y2),联立方程消去y,得x2+4kx+4=0,可得Δ=16k2-16>0,得k2>1,且因为·=x1x2+y1y2=x1x2+=x1x2+=4+1=5,故C错误;对于D,由题意可知|BA|2=(-2-0)2+(-1-1)2=8,因为|BP|·|BQ|=|x1-0|·|x2-0|=(1+k2)|x1x2|=4(1+k2),则|BP|·|BQ|=4(1+k2)>8,所以|BP|·|BQ|>|BA|2,故D正确.故选ABD.
二、填空题
7.已知抛物线y=4x2上一点到直线y=4x-5的距离最短,则该点的坐标是________.
答案
解析 解法一:设抛物线上点的坐标为(x,4x2),其中x∈R,由点到直线的距离公式得d==.当x=时,d最小,此时该点的坐标为.
解法二:设与直线y=4x-5平行的抛物线y=4x2的切线方程为y=4x+m,由得4x2-4x-m=0.再由Δ=16-4×4×(-m)=0,得m=-1.这时切点为,切点到直线y=4x-5的距离最小.
8.顶点在原点、焦点在x轴上的抛物线截直线2x-y+1=0所得弦长为,则抛物线方程为____________.
答案 y2=12x或y2=-4x
解析 设所求抛物线方程为y2=ax(a≠0) ①,直线方程变形为y=2x+1 ②,设抛物线截直线所得弦长为AB,A(x1,y1),B(x2,y2).联立消去y得(2x+1)2=ax,
整理得4x2+(4-a)x+1=0,Δ=a2-8a,x1+x2=,x1x2=,
则|AB|==,解得a=12或a=-4,均满足Δ>0.故所求抛物线方程为y2=12x或y2=-4x.
9.过点P(2,2)作抛物线y2=3x的弦AB,恰被P所平分,则弦AB所在直线的方程为________.
答案 3x-4y+2=0
解析 解法一:设以P为中点的弦AB的端点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),则有y=3x1 ①,y=3x2 ②,y1+y2=4 ③.由①-②,得(y1+y2)(y1-y2)=3(x1-x2) ④.将③代入④,得y1-y2=(x1-x2),即=,∴kAB=.∴所求弦AB所在直线的方程为y-2=(x-2),即3x-4y+2=0.
解法二:显然弦AB所在直线的斜率存在,故设弦AB所在直线的方程为y=k(x-2)+2.由消去x,得ky2-3y-6k+6=0,设A(x1,y1),B(x2,y2),由根与系数的关系,得y1+y2=,又y1+y2=4,∴k=.∴所求弦AB所在直线的方程为3x-4y+2=0.
三、解答题
10.(2024·德州高二期中)已知抛物线C:y2=2px(0<p<10),F为抛物线的焦点,D(8,y0)为抛物线上一点,点E为点D在x轴上的投影,且|DE|=|DF|.
(1)求抛物线C的方程;
(2)若直线l与抛物线C交于A,B两点,O为原点,OA⊥OB,求证:AB过定点.
解 (1)由题可知,|y0|=4,
|DE|=4,|DF|=8+,
因为|DE|=|DF|,
所以4=,
两边平方并化简,得p2-68p+256=0,解得p=4或p=64,
因为0<p<10,所以p=4,所以抛物线C的方程为y2=8x.
(2)证明:当直线l的斜率为0时,直线l与抛物线C交于一点,不符合题意,所以直线l的斜率不为0,
设直线l的方程为x=my+n,A(x1,y1),B(x2,y2),
联立消去x并整理,得y2-8my-8n=0,
Δ=64m2+32n,
当Δ>0时,y1+y2=8m,y1y2=-8n,
所以x1x2=·=n2,
又OA⊥OB,所以·=x1x2+y1y2=n2-8n=0,
解得n=8或n=0(舍去),当n=8时,满足Δ>0,
所以AB过定点(8,0).
1.(多选)已知点F是抛物线y2=2px(p>0)的焦点,AB,CD是经过点F的弦且AB⊥CD,AB的斜率为k,且k>0,C,A两点在x轴上方,则下列结论中一定成立的是( )
A.+=
B.若|AF|·|BF|=p2,则k=
C.·=·
D.四边形ACBD面积的最小值为16p2
答案 AC
解析 因为直线AB的斜率为k,AB⊥CD,所以kCD=-.设A(x1,y1),B(x2,y2),由抛物线的定义可得焦点F,则直线AB的方程为y=k.由
可得k2x2-p(k2+2)x+k2p2=0,则所以|AB|=x1+x2+p=+p=,同理可得|CD|==2p(1+k2),则有+=,故A正确;若|AF|·|BF|=p2,则·=x1x2+(x1+x2)+p2=p2,则p2+=p2+=p2,解得k=,故B错误;·=x1x2+y1y2=p2+k2=p2+k2=p2+k2p2-=-p2,与k无关,同理·=-p2,故·=·,故C正确;因为AB⊥CD,所以四边形ACBD的面积S=|AB|·|CD|=··2p(1+k2)==2p2≥8p2,当且仅当k2=,即k=1时,等号成立,故D错误.故选AC.
2.已知抛物线的顶点在原点,准线方程为x=1,F是焦点,过点A(-2,0)的直线与抛物线交于P(x1,y1),Q(x2,y2)两点,直线PF,QF分别交抛物线于点M,N.
(1)求抛物线的方程及y1y2的值;
(2)若直线PQ,MN的斜率都存在,记直线PQ,MN的斜率分别为k1,k2,证明:为定值.
解 (1)依题意,设抛物线方程为y2=-2px(p>0),
由准线方程为x==1,得p=2,
所以抛物线的方程为y2=-4x.
由题意,设直线PQ的方程为x=my-2,代入y2=-4x,消去x,整理得y2+4my-8=0,从而y1y2=-8.
(2)证明:设M(x3,y3),N(x4,y4),
则=·=·=.
设直线PM的方程为x=ny-1,
代入y2=-4x,
消去x,整理得y2+4ny-4=0,
所以y1y3=-4,
同理y2y4=-4.
故=====,为定值.
3.设抛物线C:y2=2x,点A(2,0),B(-2,0),过点A的直线l与抛物线C交于M,N两点.
(1)当l与x轴垂直时,求直线BM的方程;
(2)证明:∠ABM=∠ABN.
解 (1)当l与x轴垂直时,l的方程为x=2,可得M的坐标为(2,2)或(2,-2).
所以直线BM的方程为
y=x+1或y=-x-1.
(2)证明:当l与x轴垂直时,AB为线段MN的垂直平分线,所以∠ABM=∠ABN;
当直线l与x轴不垂直时,设直线l的方程为y=k(x-2)(k≠0),M(x1,y1),N(x2,y2),易知x1>0,x2>0.
由得ky2-2y-4k=0,
可知y1+y2=,y1y2=-4.
直线BM,BN的斜率之和为kBM+kBN=+=.①
将x1=+2,x2=+2及y1+y2,y1y2的表达式代入①式分子,可得x2y1+x1y2+2(y1+y2)===0.
所以kBM+kBN=0,可知直线BM,BN的倾斜角互补,
所以∠ABM=∠ABN.
综上,∠ABM=∠ABN.
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