内容正文:
数学 选择性必修 第一册 RJ
3.1.2 椭圆的简单几何性质
第1课时 椭圆的简单几何性质
(教师独具内容)
课程标准:掌握椭圆的简单几何性质.
教学重点:1.了解椭圆的标准方程中a,b,c的几何意义.2.利用椭圆的几何性质解决问题.
教学难点:理解椭圆离心率与椭圆形状的关系,会求椭圆的离心率.
核心素养:通过研究椭圆的几何性质,提升数学抽象及数学运算素养.
知识点 椭圆的简单几何性质
焦点的位置
焦点在x轴上
焦点在y轴上
图形
标准方程
+=1(a>b>0)
+=1(a>b>0)
范围
-a≤x≤a且-b≤y≤b
-b≤x≤b且-a≤y≤a
对称性
对称轴:x轴、y轴,对称中心:(0,0)
顶点
(±a,0),(0,±b)
(0,±a),(±b,0)
轴长
长轴长=2a,短轴长=2b;长半轴长=a,短半轴长=b
焦点
(±c,0)
(0,±c)
焦距
|F1F2|=2c
离心率
e=(0<e<1),e越接近1,椭圆越扁平,e越接近0,椭圆越接近于圆
[拓展] 对椭圆几何性质的挖掘
(1)椭圆上到中心距离最小的点是短轴的两个端点(即椭圆上的点到椭圆中心的距离的最小值为短半轴长b),到中心距离最大的点是长轴的两个端点(即椭圆上的点到椭圆中心的距离的最大值是长半轴长a).
(2)椭圆上到焦点距离最大的点(称为“远日点”)和最小的点(称为“近日点”)是长轴的两个端点,最大距离为a+c,最小距离为a-c.
(3)如图所示,设椭圆的中心为O,其中一个焦点为F1,B1是短轴的一个端点,则|B1F1|=a,e=cos∠OF1B1.
1.(范围)椭圆9x2+25y2=225上的点P(x,y)的横、纵坐标的范围分别为( )
A.|x|≤3,|y|≤5 B.|x|≤,|y|≤
C.|x|≤5,|y|≤3 D.|x|≤,|y|≤
答案:C
2.(长轴、短轴)椭圆9x2+16y2=144的长轴长为________,短轴长为________.
答案:8 6
3.(顶点)已知椭圆的中心在原点,焦点在坐标轴上,其中两顶点的坐标分别是(4,0),(0,2),则此椭圆的方程是________________.
答案:+=1
4.(离心率)比较椭圆①x2+9y2=36与②+=1的形状,则________更扁(填序号).
答案:①
题型一 椭圆的简单几何性质
例1 已知椭圆x2+(m+3)y2=m(m>0)的离心率e=,求m的值及椭圆的长轴长、短轴长、焦点坐标、顶点坐标.
[解] 椭圆方程可化为+=1.
∵m-=>0,
∴m>,
∴椭圆焦点在x轴上,即
a2=m,b2=,c==.
由e=,得=,
∴m=1.
∴椭圆的标准方程为x2+=1.
∴a=1,b=,c=.
∴椭圆的长轴长为2;短轴长为1;两个焦点坐标分别为,;四个顶点坐标分别为(-1,0),(1,0),,.
【感悟提升】 用标准方程研究几何性质的步骤
(1)将椭圆方程化为标准形式;
(2)确定焦点位置;
(3)求出a,b,c;
(4)写出椭圆的几何性质.
【跟踪训练】
1.求椭圆4m2x2+m2y2=1(m>0)的长轴长、短轴长、焦点坐标、顶点坐标和离心率.
解:由已知,得+=1(m>0),
因为0<m2<4m2,所以>,所以椭圆的焦点在y轴上,并且长半轴长a=,短半轴长b=,半焦距c=,所以椭圆的长轴长2a=,短轴长2b=,焦点坐标为,,顶点坐标为,,,,离心率e===.
题型二 由椭圆的几何性质求标准方程
例2 求符合下列条件的椭圆的标准方程.
(1)长轴长是短轴长的5倍,且过点A(5,0);
(2)离心率e=,焦距为12.
[解] (1)若椭圆的焦点在x轴上,设其标准方程为+=1(a>b>0),
由题意,得解得
故所求椭圆的标准方程为+y2=1;
若椭圆的焦点在y轴上,设其标准方程为+=1(a>b>0),
由题意,得解得
故所求椭圆的标准方程为+=1.
综上所述,所求椭圆的标准方程为+y2=1或+=1.
(2)由题意,得e==,2c=12,
解得a=10,c=6,
所以b2=a2-c2=64.
当焦点在x轴上时,所求椭圆的标准方程为+=1;
当焦点在y轴上时,所求椭圆的标准方程为+=1.
综上所述,所求椭圆的标准方程为+=1或+=1.
【感悟提升】 由椭圆的几何性质求标准方程
此类问题通常采用待定系数法,其步骤是“先定型,后计算”,即首先确定焦点位置,其次根据已知条件构造关于参数的关系式,利用方程(组)求得参数.
【跟踪训练】
2.(1)(多选)已知椭圆C:+=1(m>0,n>0)的一个焦点和一个顶点在直线y=2x-4上,则该椭圆的标准方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
答案:AD
解析:设椭圆的半焦距为c.由直线y=2x-4可知,其在x轴上的截距为2,在y轴上的截距为-4,当椭圆的焦点在x轴上时,c=2,n=4,则m2=n2+c2=20,此时椭圆的标准方程为+=1;当椭圆的焦点在y轴上时,m=2,c=4,则n2=m2+c2=20,此时椭圆的标准方程为+=1.故选AD.
(2)已知椭圆C1:+y2=1过点,椭圆C2以C1的长轴为短轴,且与C1有相同的离心率,求椭圆C2的方程.
解:由椭圆C1:+y2=1过点,得a2=4.
所以椭圆C1:+y2=1,长轴长为4,离心率e=.
设椭圆C2的方程为+=1(a1>b1>0),半焦距为c1.
由题意可得2b1=4,所以b1=2,
又=,得c=a.
由a=b+c=4+a,
解得a=16,
所以椭圆C2的方程为+=1.
题型三 椭圆的离心率问题
例3 (1)已知A是椭圆+=1(a>b>0)的上顶点,若过A的直线l与圆x2+y2=c2相切,且直线l的倾斜角为120°,则椭圆的离心率是( )
A. B.
C. D.
[解析] 由题意可得A(0,b),直线l的斜率kl=tan120°=-,所以直线l的方程为y=-x+b.由圆心(0,0)到l的距离等于半径,得=c,即b=2c,所以a==c.故椭圆的离心率e===.故选A.
[答案] A
(2)已知点F为椭圆C:+=1(a>b>0)的左焦点,过原点O的直线l交椭圆于P,Q两点,若|PF|=4|QF|,∠PFQ=60°,则椭圆C的离心率e=( )
A. B.
C. D.
[解析] 设椭圆的右焦点为F′,焦距为2c,连接PF′,QF′.根据椭圆的对称性可知四边形PFQF′为平行四边形,则|QF|=|PF′|,且由∠PFQ=60°,可得∠FPF′=120°,所以|PF|+|PF′|=5|PF′|=2a,则|PF′|=a,|PF|=a.由余弦定理可得(2c)2=|PF|2+|PF′|2-2|PF|·|PF′|cos120°=a2+a2-2×a×a×=a2,所以c2=a2,所以椭圆C的离心率e===.
[答案] A
(3)已知P为椭圆+=1(a>b>0)上一点,F1,F2是椭圆的左、右焦点,若使△PF1F2为直角三角形的点P有且只有4个,则椭圆离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
[解析] 当PF1⊥x轴时,有两个点P满足△PF1F2为直角三角形;同理当PF2⊥x轴时,有两个点P满足△PF1F2为直角三角形.
解法一:∵使△PF1F2为直角三角形的点P有且只有4个,∴以原点为圆心,c为半径的圆与椭圆无交点,∴c<b,∴c2<b2=a2-c2,∴e2<,又e>0,解得0<e<.故选A.
解法二:由题意使△PF1F2为直角三角形的点P有且只有4个,根据椭圆的几何性质可知,当点P落在椭圆的短轴端点时,∠F1PF2取得最大值,可得此时∠F1PF2<90°,又e>0,故e=sin∈.故选A.
[答案] A
【感悟提升】 求椭圆离心率及范围的两种方法
(1)直接法:若已知a,c可直接利用e=求解;若已知a,b或b,c可借助于a2=b2+c2求出c或a,再代入公式e=求解.
(2)方程(不等式)法:若a,c的值不可求,则可根据条件建立a,b,c的关系式,借助于a2=b2+c2,转化为关于a,c的齐次方程或不等式,再将方程或不等式两边同除以a的最高次幂,得到关于e的方程或不等式,即可求得e的值或范围.
【跟踪训练】
3.(1)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左顶点为A,上顶点为B,右焦点为F,若∠ABF=90°,则椭圆C的离心率为( )
A. B.
C. D.
答案:A
解析:由题意知,A(-a,0),B(0,b),F(c,0),
∵∠ABF=90°,∴kABkBF=-1,∴=1,即b2=ac,∴c2-a2+ac=0,即e2+e-1=0,∴e=-(舍去)或e=.故选A.
(2)已知F1(-c,0),F2(c,0)为椭圆+=1(a>b>0)的两个焦点,P为椭圆上一点且·=c2,则此椭圆离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案:C
解析:设P(m,n),·=c2=(-c-m,-n)·(c-m,-n)=m2-c2+n2,则2c2-m2=n2 ①,把P(m,n)代入椭圆+=1,得b2m2+a2n2=a2b2 ②,把①代入②,得m2=≥0,∴a2b2≤2a2c2,∴b2≤2c2,∴a2≤3c2,∴e=≥.又m2=≤a2,∴a2≥2c2,∴e=≤.综上,此椭圆离心率的取值范围是.故选C.
(3) 已知F1为椭圆的左焦点,A,B分别为椭圆的右顶点和上顶点,P为椭圆上的点,当PF1⊥F1A,PO∥AB(O为椭圆中心)时,椭圆的离心率为________.
答案:
解析:解法一:由已知可设椭圆的方程为+=1(a>b>0),c2=a2-b2,F1(-c,0),∵PF1⊥F1A,∴P,即P,∵AB∥PO,∴kAB=kOP,即-=-,∴b=c,∴a2=2c2,∴e==.
解法二:由解法一知P,又△PF1O∽△BOA,∴=,∴=,即b=c,∴a2=2c2,∴e==.
1.椭圆+=1和椭圆+=1的( )
A.长轴长相等 B.短轴长相等
C.焦距相等 D.顶点相同
答案:C
解析:因为椭圆+=1中a=4,b=2,c==2,椭圆+=1中a′=6,b′=2,c′==2,因此这两个椭圆的长轴长和短轴长均不相等,焦距相等,顶点不相同.故选C.
2.设椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,上顶点为B,若|BF2|=|F1F2|=2,则该椭圆的方程为( )
A.+=1 B.+y2=1
C.+y2=1 D.+y2=1
答案:A
解析:由|BF2|=|F1F2|=2,得a=2,2c=2,即c=1,所以b2=a2-c2=4-1=3,所以该椭圆的方程为+=1.故选A.
3.(多选)设椭圆C:+y2=1的左、右焦点分别为F1,F2,P是C上的动点,则下列结论正确的是( )
A.|PF1|+|PF2|=2
B.椭圆C的离心率e=
C.△PF1F2面积的最大值为
D.以线段F1F2为直径的圆与直线x+y-=0相切
答案:AD
解析:由椭圆C:+y2=1可知,a=,b=1,c=1,|PF1|+|PF2|=2a=2,A正确;椭圆C的离心率e==,B错误;当P为椭圆C短轴的一个端点时,△PF1F2的面积最大,最大值为×2c×b=1,C错误;原点(0,0)到直线x+y-=0的距离d==1=c,故以线段F1F2为直径的圆与直线x+y-=0相切,D正确.故选AD.
4.若椭圆的两个焦点与短轴的一个端点构成一个正三角形,则该椭圆的离心率为________.
答案:
解析:不妨设椭圆的左、右焦点分别为F1,F2,B为椭圆的上顶点.
依题意可知,△BF1F2是正三角形.
∵在Rt△OBF2中,|OF2|=c,|BF2|=a,∠OF2B=60°,∴cos60°==,即椭圆的离心率e=.
5.已知椭圆C1:+=1,设椭圆C2与椭圆C1的长轴长、短轴长分别相等,且椭圆C2的焦点在y轴上,写出椭圆C2的方程,并研究其性质.
解:椭圆C2:+=1.性质如下:
①范围:-8≤x≤8,-10≤y≤10;②对称性:关于x轴、y轴、原点对称;③顶点:长轴端点(0,10),(0,-10),短轴端点(-8,0),(8,0);④焦点:(0,6),(0,-6);⑤离心率:e=.
课后课时精练
基础题(占比60%) 中档题(占比30%) 拔高题(占比10%)
题号
1
2
3
4
5
6
7
难度
★
★
★
★
★
★★
★
考向
椭圆的简单几何性质
椭圆的简单几何性质
由椭圆的几何性质求标准方程
椭圆的简单几何性质
椭圆的离心率问题
椭圆的简单几何性质
椭圆的简单几何性质
考点
根据顶点坐标求焦点坐标
离心率e=的应用
根据两个椭圆间的关系求椭圆的方程
椭圆几何性质的综合应用
求离心率的取值范围
椭圆几何性质的综合应用
根据离心率、短半轴长求长半轴长
题号
8
9
10
11
12
13
14
难度
★
★★
★
★★★
★★
★★
★★
考向
椭圆的简单几何性质
椭圆的离心率问题
由椭圆的几何性质求标准方程
椭圆的简单几何性质
椭圆的离心率问题
椭圆的离心率问题
椭圆的简单几何性质
考点
椭圆的几何性质与航天问题的综合
利用几何知识求离心率
根据离心率、长轴长求椭圆方程;椭圆中a,b,c所构成的直角三角形的应用
椭圆几何性质的综合应用
求离心率的取值范围
根据焦点三角形的外接圆、内切圆求离心率
椭圆的几何性质与新定义、向量的综合
一、选择题
1.椭圆以两条坐标轴为对称轴,一个顶点是(0,13),另一个顶点是(-10,0),则焦点坐标为( )
A.(±13,0) B.(0,±10)
C.(0,±13) D.(0,±)
答案:D
解析:由题意知椭圆的焦点在y轴上,且a=13,b=10,则c==,故焦点坐标为(0,±).
2.(新课标Ⅰ卷)设椭圆C1:+y2=1(a>1),C2:+y2=1的离心率分别为e1,e2.若e2=e1,则a=( )
A. B.
C. D.
答案:A
解析:由e2=e1,得e=3e,因此=3×,而a>1,所以a=.故选A.
3.与椭圆9x2+4y2=36有相同焦点,且短轴长为2的椭圆的标准方程为( )
A.+=1 B.+x2=1
C.+y2=1 D.+=1
答案:B
解析:椭圆9x2+4y2=36可化为标准方程+=1,可知焦点在y轴上,焦点坐标为(0,±),故可设所求椭圆方程为+=1(a>b>0),则c=.又2b=2,即b=1,所以a2=b2+c2=6,故所求椭圆的标准方程为+x2=1.
4.(多选)天文学上可以大致认为部分行星的运行轨道为椭圆,如图所示,记A,B两个行星的运行轨道分别为椭圆C1,C2,则下列说法正确的是( )
A.椭圆C1的长轴长比椭圆C2的长轴长的两倍短
B.椭圆C1的短轴长比椭圆C2的短轴长的两倍短
C.椭圆C1的离心率大于椭圆C2的离心率
D.椭圆C1的短轴长与长轴长之比大于椭圆C2的短轴长与长轴长之比
答案:AD
解析:由题图可知,椭圆C1的长轴长比椭圆C2的长轴长的两倍短,椭圆C1的短轴长比椭圆C2的短轴长的两倍长,椭圆C1更接近圆,故椭圆C1的离心率小于椭圆C2的离心率,则椭圆C1的短轴长与长轴长之比大于椭圆C2的短轴长与长轴长之比.故选AD.
5.已知椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别是F1,F2,P是椭圆上一点,若|PF1|=2|PF2|,则椭圆的离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案:D
解析:由椭圆的定义,可得|PF1|+|PF2|=2a.又|PF1|=2|PF2|,所以|PF1|=a,|PF2|=a.①当点P与F1,F2不共线时,在△PF1F2中,|PF1|-|PF2|<|F1F2|,即a<2c,所以e=>.②当点P与F1,F2共线时,分析知|PF1|=a+c,|PF2|=a-c,所以a+c=2(a-c),即a=3c,所以e==.综上,椭圆的离心率的取值范围是.故选D.
6.(多选)已知点A,B是椭圆C:+=1上关于原点对称且不与C的顶点重合的两点,F1,F2分别是C的左、右焦点,O为原点,则( )
A.C的离心率为
B.|AF2|+|BF2|=8
C.|AB|的值可以为3
D.若△AF1F2的面积为,则|AF1|·|AF2|=
答案:AD
解析:在椭圆C:+=1中,a=2,b=,c==1.对于A,
离心率e==,故A正确;对于B,如图所示,由对称性知,|BF2|=|AF1|,
|AF2|+|BF2|=|AF2|+|AF1|=2a=2×2=4,故B错误;对于C,由几何知识得,2b≤|AB|≤2a,即2≤|AB|≤4,因为3<2,所以|AB|的值不可以为3,故C错误;对于D,设A(x0,y0),则△AF1F2的面积S=|F1F2|·|y0|=×2|y0|=|y0|,当△AF1F2的面积为时,|y0|=,又+=1,所以x=1,所以x0=±1.当x0=1时,AF2⊥F1F2,所以|AF2|=|y0|=,|AF1|=2a-|AF2|=2×2-=,所以|AF1|·|AF2|=×=;当x0=-1时,同理,可得|AF1|·|AF2|=,故D正确.故选AD.
二、填空题
7.若椭圆+=1(a>b>0)的离心率为,短半轴长为2,则该椭圆的长半轴长为________.
答案:4
解析:由题意,知解得a2=16,所以a=4,即该椭圆的长半轴长为4.
8.航天器的轨道有很多种,其中的“地球同步转移轨道”是一个椭圆轨道,而且地球的中心正好是椭圆的一个焦点,若地球同步转移轨道的远地点(即椭圆上离地球表面最远的点)与地球表面的距离为m,近地点与地球表面的距离为n,设地球的半径为r,用m,n,r表示出地球同步转移轨道的短轴长为________.
答案:2
解析:设椭圆的长半轴长为a,短半轴长为b,半焦距为c,则由题意可知a+c=m+r,a-c=n+r,故短半轴长为b==,所以短轴长为2.
9.如图,一个装有某种液体的圆柱形容器固定在墙面和地面的角落内,容器与地面所成的角为30°,液面呈椭圆形状,则该椭圆的离心率为________.
答案:
解析:设圆柱的底面半径为r,因为一个装有某种液体的圆柱形容器固定在墙面和地面的角落内,容器与地面所成的角为30°,液面呈椭圆形状,则2b=2r,=sin30°=,即=,因此该椭圆的离心率为e======.
三、解答题
10.分别求符合下列条件的椭圆的标准方程:
(1)离心率是,长轴长是6;
(2)在x轴上的一个焦点与短轴两个端点的连线互相垂直,且焦距为6.
解:(1)由已知,得2a=6,e==,
∴a=3,c=2.
∴b2=a2-c2=9-4=5.
∴椭圆的标准方程为+=1或+=1.
(2)设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).
如图所示,△A1FA2为等腰直角三角形,OF为斜边A1A2上的中线(高),
且|OF|=c,|A1A2|=2b,
∴c=b=3,
∴a2=b2+c2=18.
故椭圆的标准方程为+=1.
11.(多选)已知椭圆C:+=1,F1,F2分别为C的左、右焦点,P是椭圆上的一个动点,下列结论中正确的是( )
A.椭圆的离心率为
B.|PF1|+|PF2|=10
C.若∠F1PF2=90°,则△F1PF2的面积为9
D.+的最大值为
答案:BCD
解析:由椭圆的方程可知,a=5,b=3,c==4,所以椭圆的离心率e==,故A错误;由椭圆的定义知,|PF1|+|PF2|=2a=10,故B正确;因为|F1F2|=2c=8,∠F1PF2=90°,所以|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=64,(|PF1|+|PF2|)2=|PF1|2+|PF2|2+2|PF1||PF2|=64+2|PF1||PF2|=100,解得|PF1||PF2|=18,所以△F1PF2的面积为|PF1||PF2|=9,故C正确;+=(|PF1|+|PF2|)=,因为≤≤,即≤≤9,设=t∈,由对勾函数的性质可得,函数f(t)=t+在上单调递减,在[1,9]上单调递增,且f=f(9)=,所以=,所以=×=,故D正确.故选BCD.
12.设椭圆C:+=1的左、右焦点分别为F1,F2,其焦距为2c,点Q在椭圆的外部,点P是椭圆C上的动点,且|PF1|+|PQ|<|F1F2|恒成立,则椭圆离心率的取值范围是________.
答案:
解析:∵点Q在椭圆的外部,∴>,∴>,即e>.由椭圆的定义得|PF1|+|PQ|=2a-|PF2|+|PQ|,∵-|PF2|+|PQ|=|PQ|-|PF2|≤|QF2|=,|PF1|+|PQ|<|F1F2|恒成立,∴2a+<×2c,解得>,即e>.又e<1,∴椭圆离心率的取值范围是.
13.设椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,P是椭圆上一点,且∠F1PF2=,若△F1PF2的外接圆和内切圆的半径分别为R,r,当R=4r时,椭圆的离心率为__________.
答案:
解析:由题意可得,椭圆的焦点为F1(-c,0),F2(c,0),|F1F2|=2c,在△F1PF2中,由正弦定理,得2R===c,解得R=c,则r=R=c,设|PF1|=m,|PF2|=n,在△F1PF2中,由余弦定理,得4c2=m2+n2-2mncos=(m+n)2-3mn,解得mn=,所以S△F1PF2=mnsin=,又S△F1PF2=(m+n+2c)r=,所以=,整理,得2a2-3c2-ac=0,即3e2+e-2=0,解得e=或e=-1(舍去).故椭圆的离心率为.
14.给定椭圆C:+=1(a>b>0),称圆心在原点O,半径是的圆为椭圆C的“准圆”.已知椭圆C的一个焦点为F(,0),其短轴的一个端点到点F的距离为.
(1)求椭圆C和其“准圆”的方程;
(2)若点A,B是椭圆C的“准圆”与x轴的两交点,P是椭圆C上的一个动点,求·的取值范围.
解:(1)由题意,知c=,且a==,
故b==1,
故椭圆C的方程为+y2=1,
其“准圆”方程为x2+y2=4.
(2)由题意,可设P(m,n)(-≤m≤),
则有+n2=1,不妨设点A在y轴右侧,
则A(2,0),B(-2,0),
所以=(m-2,n),=(m+2,n),
所以·=m2-4+n2=m2-4+1-=-3,
又-≤m≤,所以-3∈[-3,-1],
所以·的取值范围是[-3,-1].
17
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