内容正文:
第六章 平面向量及其应用
6.4 平面向量的应用
6.4.3 余弦定理、正弦定理
第3课时 余弦定理、正弦定理应用举例
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2.一船在海面A处望见两灯塔P,Q在北偏西15°的一条直线上,该船沿东北方向航行4海里到达B处,望见灯塔P在正西方向,灯塔Q在西北方向,则两灯塔的距离为___________海里.
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3.太湖中有一小岛,沿太湖有一条南北方向的公路,一辆汽车测得小岛在公路的南偏西15°的方向上,汽车行驶1 km后,又测得小岛在南偏西75°的方向上,则小岛到公路的距离是________km.
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5.甲、乙两楼相距20 m,从乙楼底仰望甲楼顶的仰角为60°,从甲楼顶望乙楼顶的俯角为30°,则甲、乙两楼的高分别是__________________.
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6.如图,某人在塔AB的正东方向上的C处,在与塔垂直的水平面内沿南偏西60°的方向步行1 min后到达D处,速度的大小为6 km/h,在D处望见塔的底端B在东北方向上.已知沿途塔的仰角∠AEB=α,α的最大值为60°.
(1)该人沿南偏西60°的方向走到仰角α最大时,走了多长时间?
(2)求塔高.
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北偏东30°
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8.如图,位于A处的信息中心获悉:在其正东方向相距40海里的B处有一艘渔船遇险,在原地等待营救.信息中心立即把消息告知在其南偏西30°、相距20海里的C处的乙船,现乙船朝北偏东θ的方向,即沿直线CB前往B处救援,求cosθ的值.
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三、填空题
8.如图,某景区欲在两山顶A,C之间建缆车,需要测量两山顶间的距离.已知山高AB=1 km,CD=3 km,在水平面上E处测得山顶A的仰角为30°,山顶C的仰角为60°,∠AEC=150°,则两山顶A,C之间的距离为________ km.
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9.某舰艇在A处测得遇险渔船在北偏东45°,距离为10 n mile的C处,此时得知,该渔船沿南偏东75°方向向一小岛靠近,速度的大小为每小时9 n mile,舰艇时速的大小为21 n mile,则舰艇到达渔船的最短时间是____ h.
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10.一蜘蛛沿东北方向爬行x cm捕捉到一只小虫,然后向右转105°,爬行10 cm捕捉到另一只小虫,这时它向右转135°爬行回它的出发点,那么x=________.
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四、解答题
11.某广场有一块不规则的绿地如图所示,城建部门欲在该地上建造一个底座为三角形的环保标志,小李、小王设计的底座形状分别为△ABC,△ABD,经测量AD=BD=7米,BC=5米,AC=8米,∠C=∠D.求AB的长度.
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12.如图,渔船甲位于岛屿A的南偏西60°方向的B处,且与岛屿A相距12 n mile,渔船乙从岛屿A出发沿正北方向航行,航行速度的大小为10 n mile/h,若渔船甲同时从B处出发沿北偏东α的方向追赶渔船乙,刚好用2 h追上.
(1)求渔船甲的速度的大小;
(2)求sinα的值.
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知识点一 测量距离问题
1.两座灯塔A,B与海洋观测站C的距离分别为a n mile,2a n mile,灯塔A在观测站的北偏东35°的方向上,灯塔B在观测站的南偏东25°的方向上,则灯塔A与灯塔B的距离为( )
A.3a n mile
B.eq \r(7)a n mile
C.eq \r(5)a n mile
D.eq \r(3)a n mile
解析:由题可知,∠ACB=120°,在△ABC中,由余弦定理,得AB=eq \r(a2+4a2-2×a×2a×cos120°)=eq \r(7)a(n mile).故选B.
解析:如图,在△ABP中,AB=4,∠ABP=45°,∠BAP=60°,∴∠APB=75°.∴PA=eq \f(ABsin∠ABP,sin∠APB)=eq \f(4sin45°,sin75°)=4(eq \r(3)-1).又在△ABQ中,∠ABQ=45°+45°=90°,∠PAB=60°,∴AQ=2AB=8.于是PQ=AQ-PA=12-4eq \r(3),∴两灯塔的距离为(12-4eq \r(3))海里.
12-4eq \r(3)
解析:如图,∠CAB=15°,∠CBA=180°-75°=105°,∠ACB=180°-105°-15°=60°,AB=1 km.由正弦定理得eq \f(BC,sin∠CAB)=eq \f(AB,sin∠ACB),∴BC=eq \f(1,sin60°)·sin15°=eq \f(\r(6)-\r(2),2\r(3))(km).设C到直线AB的距离为d,则d=BCsin75°=eq \f(\r(6)-\r(2),2\r(3))×eq \f(\r(6)+\r(2),4)=eq \f(\r(3),6)(km).
eq \f(\r(3),6)
知识点二 测量高度问题
4.如图所示,在山底A处测得山顶B的仰角∠CAB=45°,沿倾斜角为30°的山坡向山顶走1000 m到达点S,又测得山顶仰角∠DSB=75°,则山高BC为( )
A.500eq \r(2) m
B.200 m
C.1000eq \r(2) m
D.1000 m
解析:由题意,得∠SAB=45°-30°=15°,∠SBA=∠ABC-∠SBC=45°-(90°-75°)=30°.在△ABS中,∠ASB=180°-30°-15°=135°,AB=eq \f(ASsin135°,sin30°)=eq \f(1000×\f(\r(2),2),\f(1,2))=1000eq \r(2)(m),∴BC=ABsin45°=1000eq \r(2)×eq \f(\r(2),2)=1000(m).故选D.
解析:如图所示,在△ABD中,由正弦定理得eq \f(AB,sin60°)=eq \f(20,sin30°),所以h甲=AB=20·eq \f(sin60°,sin30°)=20eq \r(3)(m).在△AEC中,由正弦定理得eq \f(EC,sin30°)=eq \f(AE,sin60°),EC=eq \f(20\r(3),3)(m),所以h乙=CD=ED-EC=AB-EC=eq \f(40\r(3),3)(m).
20eq \r(3) m,eq \f(40\r(3),3) m
解:(1)依题意知,在△DBC中,∠BCD=30°,∠DBC=180°-45°=135°,CD=100 m,D=180°-135°-30°=15°,
由正弦定理,得BC=eq \f(CDsinD,sin∠DBC)=eq \f(100×sin15°,sin135°)=eq \f(100×\f(\r(6)-\r(2),4),\f(\r(2),2))=50(eq \r(3)-1)(m).
在Rt△ABE中,tanα=eq \f(AB,BE),
∵AB为定长,
∴当BE的长最小时,α取最大值60°,此时BE⊥CD.
当BE⊥CD时,在Rt△BEC中,
EC=BCcos∠BCE=50(eq \r(3)-1)×eq \f(\r(3),2)=25(3-eq \r(3))(m).
设该人沿南偏西60°的方向走到仰角α最大时,走了t min,
则t=eq \f(EC,\f(6000,60))=eq \f(25(3-\r(3)),100)=eq \f(3-\r(3),4)(min).
(2)由(1)知,当α取得最大值60°时,BE⊥CD.
在Rt△BEC中,BE=BCsin∠BCE=50(eq \r(3)-1)×eq \f(1,2)=25(eq \r(3)-1)(m),
∴在Rt△ABE中,AB=BEtan60°=25(eq \r(3)-1)×eq \r(3)=25(3-eq \r(3))(m),
即所求塔高为25(3-eq \r(3)) m.
知识点三 测量角度问题
7.甲船在A处发现乙船在北偏东60°的B处以a n mile/h的速度向北行驶.已知甲船的速度是eq \r(3)a n mile/h,甲船应沿着___________方向前进,才能最快与乙船相遇.
解析:如图,设经过t h两船在C处相遇,则在△ABC中,BC=at n mile,AC=eq \r(3)at n mile,B=180°-60°=120°,由eq \f(BC,sin∠CAB)=eq \f(AC,sinB),得sin∠CAB=eq \f(BCsinB,AC)=eq \f(at·sin120°,\r(3)at)=eq \f(1,2).∵0°<∠CAB<60°,∴∠CAB=30°,∴∠DAC=60°-30°=30°.即甲船应沿着北偏东30°方向前进,才能最快与乙船相遇.
解:连接BC.在△ABC中,AB=40海里,AC=20海里,
∠BAC=120°,由余弦定理,得BC2=AB2+AC2-2AB·ACcos120°
=2800,∴BC=20eq \r(7)海里.
由正弦定理eq \f(AB,sin∠ACB)=eq \f(BC,sin∠BAC),
得sin∠ACB=eq \f(AB,BC)sin∠BAC=eq \f(\r(21),7).
∵∠BAC=120°,则∠ACB为锐角,∴cos∠ACB=eq \f(2\r(7),7).
∴cosθ=cos(∠ACB+30°)=cos∠ACBcos30°-sin∠ACBsin30°=eq \f(2\r(7),7)×eq \f(\r(3),2)-eq \f(\r(21),7)×eq \f(1,2)=eq \f(\r(21),14).
一、单项选择题
1.某人向正东方向走了x km后,向右转150°,然后朝新方向走了3 km,结果他恰好离出发地eq \r(3) km,那么x的值为( )
A.eq \r(3)
B.2eq \r(3)
C.eq \r(3)或2eq \r(3)
D.5
解析:由题意及余弦定理,得(eq \r(3))2=32+x2-2×3xcos30°,解得x=eq \r(3)或2eq \r(3).故选C.
2.如图,货轮在海上沿着方位角(从指北方向顺时针转到目标方向线的水平角)为140°的方向航行,速度的大小为40 km/h,为了确定货轮的位置,货轮在B点观测灯塔A的方位角为110°,航行eq \f(1,2) h到达C点,观测灯塔A的方位角是65°,则货轮到达C点时,与灯塔A的距离是( )
A.10 km
B.10eq \r(2) km
C.15 km
D.15eq \r(2) km
解析:在△ABC中,BC=40×eq \f(1,2)=20(km),∠ABC=140°-110°=30°,∠ACB=(180°-140°)+65°=105°,则A=180°-(30°+105°)=45°.由正弦定理得,AC=eq \f(BCsin∠ABC,sinA)=eq \f(20sin30°,sin45°)=10eq \r(2)(km).故选B.
3.如图,飞机的航线和山顶C在同一个铅垂面内,若飞机的海拔为18 km,速度为1000 km/h,飞行员到达A点处看到山顶的俯角为30°,经过1 min后到达B点处看到山顶的俯角为75°,则山顶的海拔为(精确到0.1 km,参考数据:eq \r(3)≈1.732)( )
A.11.4 km B.6.6 km
C.6.5 km D.5.6 km
解析:∵AB=1000×eq \f(1,60)=eq \f(50,3)(km),∠ACB=180°-30°-(180°-75°)=45°,∴BC=eq \f(AB,sin45°)·sin30°=eq \f(25\r(2),3)(km).∴航线离山顶的距离为eq \f(25\r(2),3)×sin75°=eq \f(25\r(2),3)×sin(45°+30°)≈11.4(km).∴山顶的海拔为18-11.4=6.6(km).故选B.
4.某工程中要将一长为100 m,倾斜角为75°的斜坡,改造成倾斜角为30°的斜坡,并保持坡高不变,则坡底需加长( )
A.100eq \r(2) m
B.100eq \r(3) m
C.50(eq \r(2)+eq \r(6)) m
D.200 m
解析:如图,由条件知,AD=100sin75°=100sin(45°+30°)=100(sin45°cos30°+cos45°·sin30°)=25(eq \r(6)+eq \r(2))(m),CD=100cos75°=25(eq \r(6)-eq \r(2))(m),BD=eq \f(AD,sin30°)·sin60°=25(3eq \r(2)+eq \r(6))(m).所以BC=BD-CD=25(3eq \r(2)+eq \r(6))-25(eq \r(6)-eq \r(2))=100eq \r(2)(m).故选A.
5.(2024·重庆期末)某工业园区有A,B,C 3个厂区,其中AB=6eq \r(3) km,BC=3 km,∠ABC=90°,现计划在工业园区外选择P处建一仓库,若∠APB=90°,则CP的最大值为( )
A.6 km
B.3eq \r(3) km
C.6+3eq \r(3) km
D.6eq \r(2) km
解析:设∠ABP=θ(0°<θ<90°),则∠PBC=90°+θ,在△BAP中,BP=6eq \r(3)cosθ,在△PBC中,CP2=BP2+BC2-2BP·BCcos∠PBC=108cos2θ+18eq \r(3)sin2θ+9=63+36eq \r(3)sin(2θ+60°),所以当2θ+60°=90°,即θ=15°时,(CP2)max=63+36eq \r(3),(CP)max=6+3eq \r(3),所以CP的最大值为6+3eq \r(3) km.故选C.
二、多项选择题
6.海上一艘轮船向正东方向航行,速度的大小为60 n mile/h.在A处测得小岛C在北偏西30°的方向上,小岛D在北偏东30°的方向上,航行20 min后到达B处测得小岛C在北偏西60°的方向上,小岛D在北偏西15°的方向上,则下列说法正确的是( )
A.B,C之间的距离为20 n mile
B.轮船从B处航行至小岛D需eq \f(\r(6),6) h
C.C,D之间的距离与B,D之间的距离相等
D.A,D之间的距离为20(eq \r(3)+eq \r(5)) n mile
解析:在△ABC中,由题意得∠CAB=120°,∠ABC=30°,
∠BCA=30°,AB=60×eq \f(1,3)=20(n mile).由正弦定理eq \f(BC,sin∠CAB)=
eq \f(AB,sin∠BCA),得BC=eq \f(ABsin∠CAB,sin∠BCA)=eq \f(20×\f(\r(3),2),\f(1,2))=20eq \r(3)(n mile),故A
不正确;在△ABD中,∠DAB=60°,∠ABD=75°,∠ADB=45°.由正弦定理eq \f(BD,sin∠DAB)=eq \f(AB,sin∠ADB),得BD=eq \f(ABsin∠DAB,sin∠ADB)=eq \f(20×\f(\r(3),2),\f(\r(2),2))=10eq \r(6)(n mile),eq \f(10\r(6),60)=eq \f(\r(6),6) h,故B正确;
在△BCD中,由余弦定理得CD2=(10eq \r(6))2+(20eq \r(3))2-2×10eq \r(6)×20eq \r(3)×cos45°=600,解得CD=10eq \r(6) n mile,BD=CD,故C正确;在△ABD中,BD=10eq \r(6) n mile,∠DAB=60°,AB=20 n mile,由余弦定理得BD2=AD2+AB2-2AD·ABcos∠DAB,即600=AD2+400-2AD×20×eq \f(1,2),解得AD=10(eq \r(3)+1) n mile(负值舍去),故D不正确.故选BC.
7.(2024·广东潮州阶段练习)北江是珠江流域的重要水系之一,发源于江西省信丰县小茅山,流经广东韶关、清远等地,最终在思贤滘与西江相通.如图,在北江的一侧江岸选取两个测量基点A,B,在北江的另一侧江岸选取两个测量基点C,D,若测得CD=10eq \r(3) km,6∠ABD=6∠CBD=3∠ACB=4∠ACD=π,则( )
A.AC=10eq \r(6) km
B.BD=15eq \r(2) km
C.AD=10eq \r(3) km
D.BC=10eq \r(6) km
解析:由题意可得,∠ABD=∠CBD=eq \f(π,6),∠ACB=eq \f(π,3),∠ACD=eq \f(π,4),则∠BCD=eq \f(π,3)+eq \f(π,4)=eq \f(7π,12),∠BDC=π-eq \f(7π,12)-eq \f(π,6)=eq \f(π,4),∠ABC=∠ACB=eq \f(π,3),所以△ABC是等边三角形,在△BCD中,由正弦定理,得eq \f(BC,sin\f(π,4))=eq \f(BD,sin\f(7π,12))=eq \f(10\r(3),sin\f(π,6)),解得BC=10eq \r(6) km,BD=15eq \r(2)+5eq \r(6) km,所以AC=BC=10eq \r(6) km.在△ACD中,由余弦定理,得AD2=AC2+CD2-2AC·CDcos∠ACD=(10eq \r(6))2+(10eq \r(3))2-2×10eq \r(6)×10eq \r(3)×eq \f(\r(2),2)=300,所以AD=10eq \r(3) km.故选ACD.
2eq \r(7)
解析:依题设,知AB=1 km,CD=3 km,∠AEB=30°,∠CED=60°,∠AEC=150°.∴AE=2AB=2 km,CE=eq \f(CD,sin60°)=3×eq \f(2,\r(3))=2eq \r(3)(km).在△ACE中,由余弦定理得AC2=AE2+CE2-2AE·CEcos150°=28,∴AC=2eq \r(7) km,即两山顶A,C之间的距离为2eq \r(7) km.
eq \f(2,3)
解析:设舰艇和渔船在B处相遇,则在△ABC中,由已知可得∠ACB=120°,设舰艇到达渔船的最短时间为t h,则AB=21t n mile,BC=9t n mile,AC=10 n mile,则(21t)2=(9t)2+100-2×10×9tcos120°,解得t=eq \f(2,3)或t=-eq \f(5,12)(舍去).
eq \f(10\r(6),3)
解析:如图所示,设蜘蛛原来在O点,先爬行到A点,再爬行到B点,易知在△AOB中,AB=10 cm,∠OAB=75°,∠ABO=45°,则∠AOB=60°.由正弦定理,知x=eq \f(ABsin∠ABO,sin∠AOB)=eq \f(10sin45°,sin60°)=eq \f(10\r(6),3).
解:在△ABC中,由余弦定理得
cosC=eq \f(AC2+BC2-AB2,2AC·BC)=eq \f(82+52-AB2,2×8×5)=eq \f(89-AB2,80),
在△ABD中,由余弦定理得
cosD=eq \f(AD2+BD2-AB2,2AD·BD)=eq \f(72+72-AB2,2×7×7)=eq \f(98-AB2,98).
由∠C=∠D,得cosC=cosD,
解得AB=7,所以AB的长度为7米.
解:(1)依题意可得,在△ABC中,∠BAC=180°-60°=120°,AB=12 n mile,AC=10×2=20(n mile).
由余弦定理,得BC2=AB2+AC2-2AB·ACcos∠BAC=122+202-2×12×20×cos120°=784,解得BC=28 n mile.
所以渔船甲的速度的大小为eq \f(BC,2)=14 n mile/h.
(2)在△ABC中,因为AB=12 n mile,∠BAC=120°,BC=28 n mile,∠BCA=α,
由正弦定理,得eq \f(AB,sinα)=eq \f(BC,sin120°),
即sinα=eq \f(ABsin120°,BC)=eq \f(12×\f(\r(3),2),28)=eq \f(3\r(3),14).
13.[多选](2024·河南开封期末)如图,在山脚A测
得山顶P的仰角为α,沿倾斜角为β的斜坡向上走a m
到达B处,在B处测得山顶P的仰角为γ,则山高PQ
=( )
A.eq \f(asinαsin(γ-β),sin(γ-α))
B.eq \f(asinαsin(γ-α),sin(γ-β))
C.eq \f(asinγsin(α-β),sin(γ-α))+asinβ
D.eq \f(asinγsin(α-β),sin(γ-β))+asinβ
解析:由题意可知,∠PAQ=α,∠PBC=γ,∠PAB=α-β,∠BAQ=β,在Rt△APQ,
Rt△BPC中,∠APQ=eq \f(π,2)-α,∠BPQ=eq \f(π,2)-γ,所以∠APB=∠APQ-∠BPQ=γ-α,又
sin∠ABP=sin[π-(∠APB+∠BAP)]=sin(∠APB+∠BAP)=sin(γ-α+α-β)=sin(γ-β),在△ABP中,由正弦定理可得eq \f(AB,sin∠APB)=eq \f(AP,sin∠ABP),即eq \f(a,sin(γ-α))=eq \f(AP,sin(γ-β)),所以AP=eq \f(asin(γ-β),sin(γ-α)),在Rt△APQ中,PQ=APsinα=eq \f(asinαsin(γ-β),sin(γ-α)),故A正确,B错误;在△ABP中,由正弦定理可得eq \f(AB,sin∠APB)=eq \f(PB,sin∠BAP),即eq \f(a,sin(γ-α))=eq \f(PB,sin(α-β)),所以PB=eq \f(asin(α-β),sin(γ-α)),在Rt△PBC中,PC=PBsinγ=eq \f(asinγsin(α-β),sin(γ-α)),又CQ=ABsinβ=asinβ,所以PQ=PC+CQ=eq \f(asinγsin(α-β),sin(γ-α))+asinβ,故C正确,D错误.故选AC.
14.(2024·四川成都期末)如图,为测量山高MN,选择A和另一座山的山顶C为测量观测点,从点A测得点M的仰角∠MAN=45°,点C的仰角∠CAB=30°,以及∠MAC=75°.从点C测得∠MCA=45°,已知山高BC=480eq \r(3) m,则山高MN=_____ m.
解析:在△ABC中,因为∠CAB=30°,∠ABC=90°,BC=480eq \r(3) m,所以AC=eq \f(480\r(3),sin30°)=960eq \r(3) m,在△AMC中,因为∠MAC=75°,∠MCA=45°,可得∠AMC=60°,因为eq \f(AC,sin∠AMC)=eq \f(AM,sin∠ACM),所以AM=eq \f(960\r(3)×sin45°,sin60°)=960eq \r(2) m,在Rt△AMN中,MN=AM·sin∠MAN=960eq \r(2)×sin45°=960 m.
15.(2024·广东肇庆阶段练习)成都天府绿道专为骑行而建,
以绿道为线,串联上百个生态公园,一路上树木成荫、鸟语花
香,目前已然成为成都新的城市名片.成都市政府为升级绿道
沿途风景,计划在某段全长200米的直线绿道AB一侧规划一
个三角形区域ABC做绿化,如图,已知∠CAB=eq \f(π,3).
(1)若AC=100米,求BC的长;
(2)绿化完成后,某游客在绿道AB的另一侧空地上寻找最佳拍照打卡点,该游客从A到D,再从D到B,然后从B到D,最终返回D点拍照.已知∠ADB=eq \f(π,3),求游客所走路程的最大值.
解:(1)在△ABC中,由余弦定理得BC2=AC2+AB2-2AC·ABcos∠CAB=1002+2002-2×100×200×eq \f(1,2)=30000,
所以BC=100eq \r(3)米.
(2)因为∠ADB=eq \f(π,3),所以∠DAB∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(2π,3))),记∠DAB=θ,由正弦定理得eq \f(AB,sin∠ADB)=eq \f(BD,sin∠DAB)=eq \f(AD,sin∠ABD),
即eq \f(200,sin\f(π,3))=eq \f(BD,sinθ)=eq \f(AD,sin\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3)-θ))),所以BD=eq \f(400\r(3),3)sinθ,AD=eq \f(400\r(3),3)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3)-θ)),AD+2BD=eq \f(400\r(3),3)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3)-θ))+eq \f(800\r(3),3)sinθ=eq \f(400\r(3),3)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2)cosθ+\f(5,2)sinθ))=eq \f(400\r(21),3)sin(θ+φ),其中sinφ=eq \f(\r(3),2\r(7)),cosφ=eq \f(5,2\r(7)),所以当sin(θ+φ)=1时,AD+2BD的最大值为eq \f(400\r(21),3).
即游客所走路程的最大值为eq \f(400\r(21),3)米.
$$