《广猛说题系列之路径专题》(第六集)
板块二:直线型路径之隐线(段)
初中阶段,常见的路径主要有两种:一种是曲线型路径,一般为圆(弧);另一种是直线型路径,一般为直线(段).当然还有一种可能,路径可能还会有来回,这一点会在第三板块中提及与介绍.
直觉上,直线型路径应该会比圆弧型路径简单,但笔者认为有的时候直线型路径反而稍麻烦些,它并不像圆弧型路径那样,“套路”明显,一般即为“定义法”或“定边对定角”等,所以本文先引出“路径之隐圆(弧)”,再引进“路径之隐线(段)”.
当然,直线型路径也有“套路”,笔者先类比轨迹圆(弧)的方式,介绍判断直线型路径的几种常见方法,然后再辅以例题解析,尽量让同学们对于直线型路径问题也能形成自己的解题套路及解题策略!
一、直线型路径的几种判断方法
方法一(平行距离法):
类比圆的集合定义,即“在同一平面内,到定点的距离等于定长的点的集合”,可以引进直线型路径的第一种判定方法,笔者称之为“平行距离法”.
我们知道,到定直线l的距离等于定长d的点的轨迹,是平行于这条直线,并且到这条直线的距离等于定长d的两条直线,如下图所示.
据此,只要说明目标动点到某条定直线的距离为定值,就可以推出此动点一定在某条定直线上运动,即该动点的路径为直线(段),笔者称之为“平行距离法”.
类比归纳:
简而言之,到定点的距离等于定长的点的轨迹可以断定是一条圆(弧);而到定直线的距离等于定长的轨迹一定是一条直线(段)!越类比、越深刻、越有趣!
实战分析:
例17.(题目来源:2016年山东日照)
阅读理解:
我们把满足某种条件的所有点所组成的图形,叫做符合这个条件的点的轨迹.例如:角的平分线是角的内部到角的两边距离相等的点的轨迹.
问题:如图17-1,已知EF为△ABC的中位线,M是边BC上一动点,连结AM交EF于点P,那么动点P为线段AM中点.
知识应用:
如图17-2,已知E、F为等边△ABC边AB、AC上的两动点,连结EF.若AF=BE,且等边△ABC的边长为8,求线段EF中点Q的运动路径的长.
简析:此题是2016年中考真题的前两问,如图17-1,首先容易得到动点P的运动路径是线段EF,其实该问可以改编成如下更有趣的说法:
(改编题) 如图17-3,在△ABC中,BC=8,M是边BC上一动点,连接AM,取AM的中点P,随着点M从点B运动到点C,求点P运动的路径长.
解题后反思:这道改编题就充分运用了上面提及的“平行距离法”,巧妙利用中点构造了中位线模型,且用了两次,进而解决问题,题目短小而精悍,严格说理也并非很容易,值得同学们用心深思.
解法二(瓜豆秒杀法):
此改编小题,若采取“瓜豆原理”,借助“捆绑变换”,是很显然的事,具体解释如下:
由点P为线段AM的中点,易知从动点P可以看成主动点M以定点A为位似中心,位似比为0.5缩小而来;
如果你觉得一个点在作位似变换很奇怪,那么也可以看成是线段在作相应的变换,即线段AM以定点A为位似中心,位似比为0.5缩小而得到线段AP;
这就不奇怪了吧,其实有关线段的中点问题,经常可以这样看待;
每一个从动点P都是由相应的主动点M如此变换得到,这样一来,从动点P的路径肯定也是主动点M的路径,即线段BC如此变换而来;
“种瓜得瓜,种豆得豆”,很显然从动点P的路径也是一条线段,即为ABC的中位线EF!
其实题目要求的是动点P的路径长,当你分析到“从动点P可以看成主动点M以定点A为位似中心,位似比为0.5缩小而来”时,熟练的话,就可以直接秒杀问题了,即从动点P的路径长定是主动点M的路径长的一半,即为BC的一半,搞定,Easy的不要不要滴!
下面再来解决知识应用:
第一步(构造共顶点的双等边三角形):
如图17-6,在边BC上截取BM=BE=AF,则易知CM=CF,从而△BEM与△CFM都是等边三角形;
第二步(证得“平四”):由双等边三角形△BEM与△CFM,易证得四边形AEMF为平行四边形;
第三步(同一法转移中点Q):如图17-7,连接AM,则由□AEMF易知,AM与EF互相平分,即EF的中点Q也是AM的中点;
第四步(平行距离法或瓜豆原理秒杀路径):这样问题不就转化为了前面的改编题了嘛!无论是用“平行距离法”还是用“瓜豆秒杀法”都可以轻松搞定,答案为4,不再赘述!
解题后反思:此题通过在边BC上截取BM=BE,恰到好处地利用了BE=AF,推导出CM=CF,进而得到了共顶点的双等边三角形,辅助线的构造“异想天开”、美妙精彩;
然后识别平行四边形,借助一定的“同一法思想”,巧妙地将EF的中点Q转移到了AM的中点上,这样问题就转变成了前面刚刚解决的问题,妙到毫巅,值得深思;
经于头提示:上面的问题可以变成更本质思考:
本质问题1:在△AEF中,∠EAF=60°,E、F为两动点,但始终有AE AF为定值8,求EF的中点Q的轨迹长.
或者变成更一般的情形:
本质问题2:在△AEF中,∠EAF为定角2α,E、F为两动点,但始终有AE AF为定值a,求EF的中点Q的轨迹长(用α与a的代数式表示).
这就是神奇的于头,其实这个问题跟上面的问题真的是殊途同归,且更本质、更直接,但又可以转化为上面的问题来解决,极其有趣,敬佩于头的敏锐与机智!大家可以想一想这两个本质问题如何求解,后续笔者会单独说明,作为路径番外篇,哈哈!
此题在图17-7的基础上,若连接BF、CE,又会形成一个很有趣的“定边对定角模型”,让我们通过下面这个变式,巩固这个常用的模型.
变式:如图17-8,已知E、F为等边△ABC边AB、AC上的两动点,且AF=BE.连结CE、BF交于点T,若等边△ABC的边长为6,求点T运动的路径长.
解法一(全等法 定边对定角):
第一步(识别全等三角形):如图17-9,由AF=BE易证△AFB≌△BEC(SAS);
第二步(导角得定角):如图17-10,由△AFB≌△BEC导角易得∠FTC=60°,从而有∠BTC=120°
第三步(识别定边对定角模型):如图17-10,锁定所需结构,即定边BC对定角∠BTC;
解题后反思:解法一通过全等导角,识别“定边对定角”模型,利用轨迹圆巧算路径长;其实这道变式题还可以受原题中知识应用解法的联想,同样通过构造共顶点的双等边三角形模型来解决,而且此问题恰好变成了板块一中例15的原题,如图17-13所示,不再详述;
值得一提的是,图17-13中隐去了点A,而且将点M的精确作圆画图法体现了出来,学生注意下即可;
另外,这个有趣的构造法同时解决了原题中知识应用及其变式,将这两个问题类比在一起进行分析、反思,则更加有趣!它让我们再次感受到了数学类比、数学联想的十足趣味性以及数学构造无限的可能性!
例18.(2012年张家界中考题)如图18,已知线段AB=6,C、D是AB上两点,且AC=DB=1,P是线段CD上一动点,在线段AB的同侧分别作等边△APE和等边△PBF,G为线段EF的中点,当点P由点C移动到点D时,求点G移动的路径长.
解法一(构造平行四边形 中位线模型):
第一步(构造平行四边形):如图18-1,延长AE、BF交于点Q,易证得四边形PEQF为平行四边形,且易知△QAB也是一个等边三角形;
其实此时,问题已经转化为了例17中知识应用中的问题,下面再重复一遍,巩固应用;
第二步(同一法转移中点G):如图18-2,连接QP,则由□PEQF易知,QP与EF互相平分,即EF的中点G也是QP的中点;
第三步(平行距离法或瓜豆秒杀法):接下来,无论是利用“平行距离法”还是用“瓜豆秒杀法”都可以轻松确定动点G的路径,如图18-3所示,找到点G的起始位置、终止位置,则动点G的路径即为△QCD的中位线G1G2,等于为CD的一半,长为2,问题得解!
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