内容正文:
第2课时
第二章
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椭圆的几何性质的综合应用
1.根据椭圆的定义研究焦点三角形的性质以及焦半径的取值范围.
2.了解椭圆在实际生活中的应用.
学习目标
一、椭圆中的焦点三角形
二、椭圆中的最值
课时对点练
三、实际生活中的椭圆问题
随堂演练
内容索引
椭圆中的焦点三角形
一
已知P为椭圆 =1上一点,F1,F2是椭圆的左、右焦点,∠F1PF2=60°,求△F1PF2的面积.
例 1
5
从而|F1F2|=2c=6,
在△F1PF2中,
|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1|·|PF2|cos 60°,
即36=|PF1|2+|PF2|2-|PF1|·|PF2|. ①
即48=|PF1|2+|PF2|2+2|PF1|·|PF2|. ②
6
由①②得|PF1|·|PF2|=4.
7
若将本例中“∠F1PF2=60°”变为“∠PF1F2=90°”,求△F1PF2的面积.
延伸探究
8
从而|F1F2|=2c=6.
在△F1PF2中,由勾股定理可得
|PF2|2=|PF1|2+|F1F2|2,
即|PF2|2=|PF1|2+36,
9
10
(1)椭圆的定义能够对椭圆上的点到焦点的距离进行转化.
(2)椭圆上一点P与椭圆的两个焦点F1,F2构成的△PF1F2称为焦点三角形,可以利用椭圆的定义,结合正弦定理、余弦定理、三角形的面积公式等知识求解.
反
思
感
悟
椭圆定义的应用技巧
11
设P为椭圆C: =1上一点,F1,F2分别是椭圆C的左、
右焦点,且△PF1F2的重心为点G,若|PF1|∶|PF2|=3∶4,那么△GPF1的面积为
A.24 B.12 C.8 D.6
跟踪训练 1
√
12
|PF1|∶|PF2|=3∶4,|PF1|+|PF2|=2a=14,
∴|PF1|=6,|PF2|=8.
∴易知△PF1F2是直角三角形,
∵△PF1F2的重心为点G,
∴ ,∴△GPF1的面积为8.
13
二
椭圆中的最值
若P(x0,y0)是椭圆 =1(a>b>0)上任意一点,F1(-c,0),
F2(c,0)是椭圆的左、右焦点,你能表示|PF1|与|PF2|吗?
问题
故有|PF1|=a+ex0,
同理|PF2|=a-ex0.
15
1.|PF1|与|PF2|统称焦半径,其最大值为 ,最小值为 .
2.P为 端点时,顶角θ最大.
a+c
a-c
短轴
知识梳理
16
例 2
√
所以距离的最大值为a+c=3,
距离的最小值为a-c=1.
17
18
∴a=5,b=4,c=3,
∴F1(-3,0),F2(3,0).
如图所示,点Q在椭圆内部,
∵点P为椭圆上的点,
则|PF1|+|PF2|=2a=10,
∴|PF1|=10-|PF2|,
∵|PF1|+|PQ|=|PQ|-|PF2|+10,
19
20
(1)几何法:若题目的条件和结论能明显体现几何特征及意义,则考虑利用图形性质来解决,这就是几何法.解题的关键是能够准确分析出最值问题所隐含的几何意义,并能借助相应曲线的定义及对称知识求解.
(2)代数法:若题目的条件和结论能体现一种明确的函数,则可首先建立起目标函数,再根据函数式的特征选用适当的方法求解目标函数的最值.常用方法有配方法、换元法、判别式法、均值不等式法及函数的单调性法等.
反
思
感
悟
求解椭圆的最值问题的基本方法有两种
21
跟踪训练 2
√
22
又EF为圆N:(x-1)2+y2=1的任意一条直径,
23
24
设椭圆的右焦点为E(如图所示).
由椭圆的定义得△FAB的周长为|AB|+|AF|+|BF|
=|AB|+(2a-|AE|)+(2a-|BE|)
=4a+|AB|-|AE|-|BE|.
因为|AE|+|BE|≥|AB|,
所以|AB|-|AE|-|BE|≤0,当且仅当AB过点E时取等号;
所以△FAB的周长为|AB|+|AF|+|BF|=4a+|AB|-|AE|-|BE|≤4a,
25
所以△FAB的周长的最大值是4a;
整理得a=2b.
26
实际生活中的椭圆问题
三
(多选)如图,一缕阳光从圆形的窗孔射入,在水平地面上形成椭圆形光斑(轮廓为椭圆),若光线与水平地面所成的角为α(0°<α<45°),则下列说法正确的是
A.椭圆的离心率e=cos α
B.椭圆的离心率e=
C.椭圆的离心率e随α的增大而减小
D.椭圆的离心率e随α的增大而增大
例 3
√
√
28
可根据题意作出平面图,如图所示,E,F分别为窗户的最高点、最低点所在位置,光线与水平面的交点分别为A,B,分别过B,F作l2的垂线交l1于C,M两点,光线与水平地面所成的角为α(0°<α<45°),即∠CAB,设|EF|=2R,|FM|=d,
由题意可知,窗孔在平面内的投影为椭圆,
故|AB|为椭圆的长轴长,即|AB|=2a,
椭圆的短轴长等于线段EF的长,为2R.
由图易得,∠EFM=α,在Rt△EFM中,
29
所以选项A错误,选项B正确;
30
因为当0°<α<45°时,y=tan α单调递增,
所以椭圆的离心率e随α的增大而减小,
故选项C正确,选项D错误.
31
反
思
感
悟
(1)通过数学抽象,找出实际问题中涉及的椭圆,将原问题转化为数学问题.
(2)确定椭圆的位置及要素,并利用椭圆的方程或几何性质求出数学问题的解.
(3)用解得的结果说明原来的实际问题.
解决和椭圆有关的实际问题的思路(数学抽象)
跟踪训练 3
某隧道的拱线设计为半个椭圆的形状,最大拱高h为6米(如图所示),路面设计是双向车道,车道总宽为 米,如果限制通行车辆的高度不超过4.5米,那么隧道设计的拱宽d至少应是_____米.
32
33
解得a=16,
∵车辆高度不超过4.5米,∴a≥16,d=2a≥32,
故拱宽至少为32米.
34
1.知识清单:
(1)焦点三角形.
(2)椭圆中的最值问题.
(3)生活中的椭圆问题.
2.方法归纳:转化法、数形结合.
3.常见误区:容易忽略实际问题中的取值范围.
课堂小结
随堂演练
四
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2
3
4
1.已知椭圆 =1的左、右焦点分别为F1,F2,经过F2的直线交椭圆
于A,B两点,则△AF1B的周长等于
A.20 B.10 C.16 D.8
√
所以由椭圆的定义可得|AF1|+|AF2|=2a=10,|BF1|+|BF2|=2a=10,所以△ABF1周长为|AF1|+|BF1|+|AF2|+|BF2|=20.
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2.椭圆C: =1的右焦点为F,点P是椭圆C上的动点,则|PF|的最
大值是
A.2 B.3 C.4 D.6
√
则|PF|≤a+c=6.
所以|PF|的最大值是6.
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4
3.椭圆 =1与y轴的交点为P,两个焦点为F1,F2,则△PF1F2的面积为
A.6 B.8 C.10 D.12
√
令x=0可得y=±4,所以P(0,±4),
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4
4.在手工课上,王老师带领同学们一起制作了一个近似鸟巢的金属模型,其俯视图可近似看成是两个大小不同、扁平程度相同的椭圆.已知大椭圆的长轴长为40 cm,短轴长为20 cm,小椭圆的短轴长为10 cm,则小椭圆的长轴长为_____cm.
20
1
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4
因为两个椭圆的扁平程度相同,所以椭圆的离心率相同,
解得a小=10.
所以小椭圆的长轴长为20 cm.
课时对点练
五
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基础巩固
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2.已知地球运行的轨道是焦距为2c,离心率为e的椭圆,且太阳在这个椭圆的一个焦点上,则地球到太阳的最小距离为
A.ce-c B.2ce-2c
√
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因为地球椭圆轨道的焦距为2c,离心率为e,
而太阳在这个椭圆的一个焦点上,
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由已知得|PF1|+|PF2|=2a=20,
|F1F2|=2c=12.
由余弦定理,知(2c)2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1|·|PF2|·cos 60°,
即144=(|PF1|+|PF2|)2-3|PF1|·|PF2|,
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设椭圆E的左焦点为F1,
由题意知,|PQ|min=|PC|-1,
此时|PQ|-|PF|=|PQ|+|PF1|-4
=|PC|+|PF1|-5≥|CF1|-5=-1,
当F1,P,Q,C四点共线时,等号成立.
即|PQ|-|PF|的最小值为-1.
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5.(多选)某颗人造地球卫星的运行轨道是以地球的中心F为一个焦点的椭圆,如图所示,已知它的近地点A(离地心最近的一点)距地面m km,远地点B(离地心最远的一点)距地面n km,并且F,A,B三点在同一直线上,地球半径约为R km,设该椭圆的长轴长、短轴长、焦距分别为2a,2b,
2c,则
A.a-c=m+R B.a+c=n+R
√
√
√
∵地球的中心是椭圆的一个焦点,
由(*),可得2a=m+n+2R,故C不正确;
由(*),可得(m+R)(n+R)=a2-c2.
∵a2-c2=b2,∴b2=(m+R)(n+R),
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∴b2=a2-c2=16,
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7.已知椭圆C: =1(a>b>0)的离心率为e,F1,F2为其左、右焦点,P为椭圆上任意一点,写出一个满足“椭圆上不存在使得∠F1PF2=
90°的点P”的e的值为_______________.
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当点P在椭圆短轴端点处时,
∠F1PF2最大,
∵椭圆上不存在使得∠F1PF2=90°的点P,
∴当P在短轴端点处时,∠F1PF2<90°,
∴b>c,即a2-c2>c2,
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8.在平面直角坐标系xOy中,椭圆C的中心为原点,焦点F1,F2在x轴上,
离心率为 .过F1的直线l交C于A,B两点,且△ABF2的周长为16,那么
椭圆C的方程为___________.
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∵△ABF2的周长为|AB|+|BF2|+|AF2|
=(|AF1|+|AF2|)+(|BF1|+|BF2|)=4a=16,
∴a=4,∴b2=8,
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由题意,知椭圆N的焦点为(-2,0),(2,0),
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(2)设椭圆M的左、右焦点分别为F1,F2,点P在椭圆M上,且△PF1F2的面积为1,求点P的坐标.
由(1)知F1(-2,0),F2(2,0),
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综合运用
11.“神舟五号”飞船成功完成了第一次载人航天飞行,实现了中国人的航天梦想.某段时间飞船在太空中运行的轨道是一个椭圆,地心为椭圆的一个焦点,如图所示.假设航天员到地面的最近距离为d1,最远距离为d2,地球的半径为R,我们想象存在一个镜像地球,其中心在神舟飞船运行轨道的另外一个焦点上,上面住着一个外星人发射某种神秘信号,需要飞行中的航天员中转后地球人才能接收到,则传送神秘信号的最短距离为
A.d1+d2+R B.d2-d1+2R
C.d2+d1-2R D.d1+d2
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两焦点分别为F1,F2,飞行中的航天员为点P,
则2a=d1+d2+2R,故传送神秘信号的最短距离为|PF1|+|PF2|-2R=2a-2R=d1+d2.
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设内接矩形在第一象限的顶点坐标为(x,y),x>0,y>0,
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设点Q的坐标为(m,n)(-1≤n≤1),因为圆心C(0,6),
∴|PF2|=2a-|PF1|=2,
120°
又∵0°<∠F1PF2<180°,
∴∠F1PF2=120°.
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拓广探究
15.圆锥曲线与空间几何体具有深刻而广泛的联系,如图所示,底面半径为1,高为3的圆柱内放有一个半径为1的球,球与圆柱下底面相切,作不与圆柱底面平行的平面α与球相切于点F,若平面α与圆柱侧面相交所得曲线为封闭曲线τ,τ是以F为一个焦点的椭圆,则τ的离心率的取值范围是
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当α与底面趋于平行时τ几乎成为一个圆,因此离心率可以充分接近0.当α与底面的夹角最大时,τ的离心率达到最大,下面求解这一最大值.如图,AB为长轴,F为焦点时,e最大,a+c=|BF|=|BG|=2,
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16.某海域有A,B两个岛屿,B岛在A岛正东4海里处,
经多年观察研究发现,某种鱼群洄游的路线是曲线C,
曾有渔船在距A岛、B岛距离和为8海里处发现过鱼群,
以A,B所在直线为x轴,AB的垂直平分线为y轴建立平面直角坐标系,如图所示.
(1)求曲线C的标准方程;
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由题意知曲线C是以A,B为焦点且长轴长为8的椭圆,
又2c=4,
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(2)某日,研究人员在A,B两岛同时用声呐探测仪发出不同频率的探测信号(传播速度相同),A,B两岛收到鱼群在P处反射信号的时间比为5∶3,你能否确定P处的位置(即点P的坐标)?
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由于A,B两岛收到鱼群反射信号的时间比为5∶3,因此鱼群此时距A,B两岛的距离比为5∶3,即鱼群分别距A,B两岛的距离为5海里和3海里,设P(x,y),B(2,0),由|PB|=3,
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∴点P的坐标为(2,3)或(2,-3).
+
由已知得a=2,b=,
所以c===3,
由椭圆的定义得|PF1|+|PF2|=4,
所以 =|PF1|·|PF2|·sin 60°=.
由已知得a=2,b=,
所以c===3.
又由椭圆定义知|PF1|+|PF2|=2×2=4,
所以|PF2|=4-|PF1|.
即△F1PF2的面积是.
从而有(4-|PF1|)2=|PF1|2+36,
解得|PF1|=.
所以△F1PF2的面积S=·|PF1|·|F1F2|=××6=,
(3)焦点三角形面积公式: =b2tan (∠F1PF2=θ).
(4)通径为.
+
∵P为椭圆C:+=1上一点,
=|PF1|·|PF2|=24.
又|F1F2|=2c=2=10,
因为-a≤x0≤a,所以a-c≤≤a+c,
+
提示 |PF1|==
==,
(1)若椭圆C:+=1,则该椭圆上的点到两焦点距离的最大,最小值分别为
A.3,1 B.2+,2-
C.2,1 D.+1,-1
由题知a=2,b=,
所以c==1,
(2)椭圆C:+=1,F1,F2是左、右焦点,点Q(2,2),点P为椭圆上一动点,则|PF1|+|PQ|的最大值为________,最小值为________.
10+
10-
椭圆C:+=1,
即|PF1|+|PQ|∈[10-,10+].
又||PQ|-|PF2||≤|QF2|=,
∴-≤|PQ|-|PF2|≤,
(1)点P为椭圆+=1上任意一点,EF为圆N:(x-1)2+y2=1的任意一条直径,则·的取值范围是
A.(8,24) B.[8,24]
C.[5,21] D.(5,21)
在椭圆+=1中,有a-c≤||≤a+c,
即3≤||≤5,所以8≤||2-1≤24,
故·=||2-1的取值范围为[8,24].
由题意,·=(+)·(+)=(+)·(-)
=||2-||2,
则||=1,
(2)椭圆+=1(a>b>0)的左焦点为F,直线x=m与椭圆相交于A,B两点,若△FAB的周长最大时,△FAB的面积为bc,则椭圆的离心率为_____.
此时△FAB的面积为S△FAB=×2c×==bc,
所以e====.
|AB|>|EF|,此时a=,b=R,
故椭圆的离心率e=,
cos α==,d=2Rcos α,
在Rt△ABC中,sin α===,
|AB|=,当0°<α<45°时,cos α>sin α,
8
设椭圆方程为+=1,
当点(4,4.5)在椭圆上时,+=1,
因为椭圆的方程为+=1,
+
+
由题意可得a=4,c==2,
所以c===3,
所以△PF1F2的面积为×|yP|×|F1F2|=×4×6=12.
+
由椭圆+=1可得a=5,b=4,
即=.
所以=,
所以=,
1.已知点F1,F2分别是椭圆x2+2y2=2的左、右焦点,点P是该椭圆上的一个动点,那么|+|的最小值是
A.0 B.1 C.2 D.2
设P(x0,y0),则=(-1-x0,-y0),
=(1-x0,-y0),
∴+=(-2x0,-2y0),
∴|+|==2=2.
∵点P在椭圆上,∴0≤y≤1,
∴当y=1时,|+|取得最小值2.故选C.
C.-c D.-2c
所以由e=,得a=,
所以地球到太阳的最小距离为a-c=-c.
3.若椭圆+=1的焦点分别为F1,F2,椭圆上一点P满足∠F1PF2=60°,则△F1PF2的面积为
A.64 B.16 C. D.
∴|PF1|·|PF2|=,
∴ =|PF1|·|PF2|·sin 60°=.
4.已知F是椭圆E:+=1的右焦点,P是椭圆E上一点,Q是圆C:x2+y2-2x-4y+9=0上一点,则|PQ|-|PF|的最小值为
A.- B.-1 C.2 D.3
如图,由题可知,圆C的方程可化为(x-)2+(y-2)2=1,
则|PF|=4-|PF1|,F1(-,0),
则圆心的坐标为(,2),半径为1.
C.2a=m+n D.b=
结合图形可得
∴(*).故A,B正确;
∴b=,故D正确.
6.(多选)P为椭圆C上任一点,且焦点为F1,F2,若P到焦点F1的距离的最大值为2+2,最小值为2-2,则椭圆C的标准方程为
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
依题意得
解得
故所求椭圆的方程为+=1或+=1.
+
(答案不唯一)
∴e2<,又0<e<1,
∴e∈,故e可以是.
+=1
设椭圆方程为+=1(a>b>0),
由e=,知=,
故=.
∴椭圆C的方程为+=1.
9.椭圆的中心是坐标原点,长轴在x轴上,离心率e=,已知点P到椭圆上的点的最远距离是,求这个椭圆的方程.
设所求椭圆方程为+=1(a>b>0).
∴椭圆方程为+=1.
设椭圆上点M(x,y)到点P的距离为d,
则d2=x2+2=4b2+y2-3y+
=-32+4b2+3(-b≤y≤b),
∵===,∴a=2b.
解得b=1,∴椭圆方程为+y2=1.
②当-<-b,即0<b<时,d=f(-b)=7,
解得b=->,与b<矛盾.
令f(y)=-32+4b2+3.
综上所述,所求椭圆方程为+y2=1.
①当-b≤-,即b≥时,
d=f =4b2+3=7,
10.已知椭圆M与椭圆N:+=1有相同的焦点,且椭圆M过点.
(1)求椭圆M的标准方程;
设椭圆M的方程为+=1(a>b>0),
则化简并整理得5b4+11b2-16=0,
故b2=1或b2=-(舍去),a2=5,
故椭圆M的标准方程为+y2=1.
设P(x0,y0),则△PF1F2的面积为×4×|y0|=1,解得y0=±.
又+y=1,所以x=,x0=±,
所以点P有4个,它们的坐标分别为,,,.
设椭圆的方程为+=1(a>b>0),半焦距为c,
由已知可得
12.椭圆+=1的内接矩形的最大面积为
A.4 B.
C.4 D.2
所以椭圆+=1的内接矩形的最大面积为4.
由对称性可知,S=4xy=8··≤4×=4,
当且仅当=,即x=y时等号成立,
联立解得此时等号成立,
13.设P,Q分别为圆x2+(y-6)2=2和椭圆+y2=1上的点,则P,Q两点间的最大距离是
A.5 B.+
C.7+ D.6
故|QC|=, ①
因为+n2=1, ②
联立①②,得|QC|=,因为-1≤n≤1,
故当n=-时,|QC|有最大值,最大值为5,所以|PQ|max=|QC|max+=6.
14.已知椭圆+=1的焦点为F1,F2,点P在椭圆上.若|PF1|=4,则∠F1PF2=________.
由+=1,知a=3,b=,∴c=,
∴cos∠F1PF2==-,
A. B.
C. D.
易知b=1,所以则e==,
则离心率的取值范围是.
则c=2,a=4,故b=2,
∴曲线C的方程为+=1.
得=3,
∴
解得或
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