最新高中數(shù)學(xué)-高中數(shù)學(xué)2.5.1平面幾何中的向量方法教案新人教A版必修4

1、2.5 平面向量應(yīng)用舉例2.5.1 平面幾何中的向量方法整體設(shè)計(jì)教學(xué)分析1.本節(jié)的目的是讓學(xué)生加深對向量的認(rèn)識,更好地體會向量這個(gè)工具的優(yōu)越性.對于向量方法,就思路而言,幾何中的向量方法完全與幾何中的代數(shù)方法一致,不同的只是用“向量和向量運(yùn)算”來代替“數(shù)和數(shù)的運(yùn)算”.這就是把點(diǎn)、線、面等幾何要素直接歸結(jié)為向量,對這些向量借助于它們之間的運(yùn)算進(jìn)行討論,然后把這些計(jì)算結(jié)果翻譯成關(guān)于點(diǎn)、線、面的相應(yīng)結(jié)果.代數(shù)方法的流程圖可以簡單地表述為:則向量方法的流程圖可以簡單地表述為:這就是本節(jié)給出的用向量方法解決幾何問題的“三步曲”,也是本節(jié)的重點(diǎn).2.研究幾何可以采取不同的方法,這些方法包括:綜合方法不使用

2、其他工具,對幾何元素及其關(guān)系直接進(jìn)行討論;解析方法以數(shù)(代數(shù)式)和數(shù)(代數(shù)式)的運(yùn)算為工具,對幾何元素及其關(guān)系進(jìn)行討論;向量方法以向量和向量的運(yùn)算為工具,對幾何元素及其關(guān)系進(jìn)行討論;分析方法以微積分為工具,對幾何元素及其關(guān)系進(jìn)行討論,等等.前三種方法都是中學(xué)數(shù)學(xué)中出現(xiàn)的內(nèi)容.有些平面幾何問題,利用向量方法求解比較容易.使用向量方法要點(diǎn)在于用向量表示線段或點(diǎn),根據(jù)點(diǎn)與線之間的關(guān)系,建立向量等式,再根據(jù)向量的線性相關(guān)與無關(guān)的性質(zhì),得出向量的系數(shù)應(yīng)滿足的方程組,求出方程組的解,從而解決問題.使用向量方法時(shí),要注意向量起點(diǎn)的選取,選取得當(dāng)可使計(jì)算過程大大簡化.三維目標(biāo)1.通過平行四邊形這個(gè)幾何模型,歸

3、納總結(jié)出用向量方法解決平面幾何問題的“三步曲”.2.明了平面幾何圖形中的有關(guān)性質(zhì),如平移、全等、相似、長度、夾角等可以由向量的線性運(yùn)算及數(shù)量積表示.3.通過本節(jié)學(xué)習(xí),讓學(xué)生深刻理解向量在處理有關(guān)平面幾何問題中的優(yōu)越性,活躍學(xué)生的思維,發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,并體會向量在幾何和現(xiàn)實(shí)生活中的意義.教學(xué)中要求盡量引導(dǎo)學(xué)生使用信息技術(shù)這個(gè)現(xiàn)代化手段.重點(diǎn)難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn):用向量方法解決實(shí)際問題的基本方法;向量法解決幾何問題的“三步曲”.教學(xué)難點(diǎn):如何將幾何等實(shí)際問題化歸為向量問題.課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過程導(dǎo)入新課 思路1.(直接導(dǎo)入)向量的概念和運(yùn)算都有著明確的物理背景和幾何背景,當(dāng)向量和

4、平面坐標(biāo)系結(jié)合后,向量的運(yùn)算就完全可以轉(zhuǎn)化為代數(shù)運(yùn)算.這就為我們解決物理問題和幾何研究帶來了極大的方便.本節(jié)專門研究平面幾何中的向量方法. 思路2.(情境導(dǎo)入)由于向量的線性運(yùn)算和數(shù)量積運(yùn)算具有鮮明的幾何背景,平面幾何圖形的許多性質(zhì),如平移、全等、相似、長度、夾角等都可以由向量的線性運(yùn)算及數(shù)量積表示出來,因此,可用向量方法解決平面幾何中的一些問題.下面通過幾個(gè)具體實(shí)例,說明向量方法在平面幾何中的運(yùn)用.推進(jìn)新課新知探究提出問題圖1平行四邊形是表示向量加法和減法的幾何模型,如圖1,你能觀察、發(fā)現(xiàn)并猜想出平行四邊形對角線的長度與兩鄰邊長度之間有什么關(guān)系嗎？你能利用所學(xué)知識證明你的猜想嗎？能利用所學(xué)的

5、向量方法證明嗎？試一試可用哪些方法?你能總結(jié)一下利用平面向量解決平面幾何問題的基本思路嗎？ 活動:教師引導(dǎo)學(xué)生猜想平行四邊形對角線的長度與兩鄰邊長度之間有什么關(guān)系.利用類比的思想方法,猜想平行四邊形有沒有相似關(guān)系.指導(dǎo)學(xué)生猜想出結(jié)論:平行四邊形兩條對角線的平方和等于四條邊的平方和.教師引導(dǎo)學(xué)生探究證明方法,并點(diǎn)撥學(xué)生對各種方法分析比較,平行四邊形是學(xué)生熟悉的重要的幾何圖形,在平面幾何的學(xué)習(xí)中,學(xué)生得到了它的許多性質(zhì),有些性質(zhì)的得出比較麻煩,有些性質(zhì)的得出比較簡單.讓學(xué)生體會研究幾何可以采取不同的方法,這些方法包括綜合方法、解析方法、向量方法.圖2證明:方法一:如圖2.作ceab于e,dfab于

6、f,則rtadfrtbce.ad=bc,af=be.由于acae2+ce2=(ab+be)2+ce2=ab2+2ab·be+be2+ce2=ab2+2ab·be+bc2.bd2=bf2+df2=(ab-af)2+df2=ab2-2ab·af+af2+df2=ab2-2ab·af+ad2=ab2-2ab·be+bc2.ac2+bd2=2(ab2+bc2).圖3方法二:如圖3.以ab所在直線為x軸,a為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系.設(shè)b(a,0),d(b,c),則c(a+b,c).|ac|2=(a+b)2+c2=a2+2ab+b2+c2,|bd|2=(a

7、-b)2+(-c)2=a2-2ab+b2+c2.|ac|2+|bd|2=2a2+2(b2+c2)=2(|ab|2+|ad|2). 用向量方法推導(dǎo)了平行四邊形的兩條對角線與兩條鄰邊之間的關(guān)系.在用向量方法解決涉及長度、夾角的問題時(shí),常常考慮用向量的數(shù)量積.通過以下推導(dǎo)學(xué)生可以發(fā)現(xiàn),由于向量能夠運(yùn)算,因此它在解決某些幾何問題時(shí)具有優(yōu)越性,它把一個(gè)思辨過程變成了一個(gè)算法過程,學(xué)生可按一定的程序進(jìn)行運(yùn)算操作,從而降低了思考問題的難度,同時(shí)也為計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用提供了方便.教學(xué)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生體會向量帶來的優(yōu)越性.因?yàn)槠叫兴倪呅螌蔷€平行且相等,考慮到向量關(guān)系=-,=+,教師可點(diǎn)撥學(xué)生設(shè)=a,=b,其他線段對

8、應(yīng)向量用它們表示,涉及長度問題常常考慮向量的數(shù)量積,為此,我們計(jì)算|2與|2.因此有了方法三.方法三:設(shè)=a,=b,則=a+b,=a-b,|2=|a|2,|2=|b|2.|2=·=(a+b)·(a+b)=a·a+a·b+b·a+b·b=|a|2+2a·b+|b|2. 同理|2=|a|2-2a·b+|b|2. 觀察兩式的特點(diǎn),我們發(fā)現(xiàn),+得|2+|2=2(|a|2+|b|2)=2(|2+|2),即平行四邊形兩條對角線的平方和等于兩條鄰邊平方和的兩倍.至此,為解決重點(diǎn)問題所作的鋪墊已經(jīng)完成,向前發(fā)展可以說水到渠成.教師

9、充分讓學(xué)生對以上各種方法進(jìn)行分析比較,討論認(rèn)清向量方法的優(yōu)越性,適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生歸納用向量方法處理平面幾何問題的一般步驟.由于平面幾何經(jīng)常涉及距離(線段長度)、夾角問題,而平面向量的運(yùn)算,特別是數(shù)量積主要涉及向量的模以及向量之間的夾角,因此我們可以用向量方法解決部分幾何問題.解決幾何問題時(shí),先用向量表示相應(yīng)的點(diǎn)、線段、夾角等幾何元素.然后通過向量的運(yùn)算,特別是數(shù)量積來研究點(diǎn)、線段等元素之間的關(guān)系.最后再把運(yùn)算結(jié)果“翻譯”成幾何關(guān)系,得到幾何問題的結(jié)論.這就是用向量方法解決平面幾何問題的“三步曲”,即(1)建立平面幾何與向量的聯(lián)系,用向量表示問題中涉及的幾何元素,將平面幾何問題轉(zhuǎn)化為向量問題;(2)

10、通過向量運(yùn)算,研究幾何元素之間的關(guān)系,如距離、夾角等問題;(3)把運(yùn)算結(jié)果“翻譯”成幾何關(guān)系.討論結(jié)果:能.能想出至少三種證明方法.略.應(yīng)用示例圖4例1 如圖4, abcd中,點(diǎn)e、f分別是ad、dc邊的中點(diǎn),be、bf分別與ac交于r、t兩點(diǎn),你能發(fā)現(xiàn)ar、rt、tc之間的關(guān)系嗎? 活動:為了培養(yǎng)學(xué)生的觀察、發(fā)現(xiàn)、猜想能力,讓學(xué)生能動態(tài)地發(fā)現(xiàn)圖形中ar、rt、tc之間的相等關(guān)系,教學(xué)中可以充分利用多媒體,作出上述圖形,測量ar、rt、tc的長度,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)ar=rt=tc,拖動平行四邊形的頂點(diǎn),動態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),ar=rt=tc這個(gè)規(guī)律不變,因此猜想ar=rt=tc.事實(shí)上,由于r、t是對角線a

11、c上的兩點(diǎn),要判斷ar、rt、tc之間的關(guān)系,只需分別判斷ar、rt、tc與ac的關(guān)系即可.又因?yàn)閍r、rt、tc、ac共線,所以只需判斷與之間的關(guān)系即可.探究過程對照用向量方法解決平面幾何問題的“三步曲”很容易地可得到結(jié)論.第一步,建立平面幾何與向量的聯(lián)系,用向量表示問題中的幾何元素,將平面幾何問題轉(zhuǎn)化為向量問題;第二步,通過向量運(yùn)算,研究幾何元素之間的關(guān)系;第三步,把運(yùn)算結(jié)果“翻譯”成幾何關(guān)系:ar=rt=tc.解:如圖4,設(shè)=a,=b,=r,=t,則=a+b.由于與共線,所以我們設(shè)r=n(a+b),nr.又因?yàn)?-=a-b,與共線,所以我們設(shè)=m=m(a-b).因?yàn)?所以r=b+m(a-

12、b).因此n(a+b)=b+m(a-b),即(n-m)a+(n+)b=0.由于向量a、b不共線,要使上式為0,必須解得n=m=.所以=,同理=.于是=.所以ar=rt=tc.點(diǎn)評:教材中本例重在說明是如何利用向量的辦法找出這個(gè)相等關(guān)系的,因此在書寫時(shí)可簡化一些程序.指導(dǎo)學(xué)生在今后的訓(xùn)練中,不必列出三個(gè)步驟.變式訓(xùn)練圖5 如圖5,ad、be、cf是abc的三條高.求證:ad、be、cf相交于一點(diǎn). 證明:設(shè)be、cf相交于h,并設(shè)=b,=c,=h, 則=h-b,=h-c,=c-b.因?yàn)?所以(h-b)·c=0,(h-c)·b=0,即(h-b)·c=(h-c)

13、3;b.化簡得h·(c-b)=0.所以.所以ah與ad共線,即ad、be、cf相交于一點(diǎn)h.圖6例2 如圖6,已知在等腰abc中,bb、cc是兩腰上的中線,且bbcc,求頂角a的余弦值. 活動:教師可引導(dǎo)學(xué)生思考探究,上例利用向量的幾何法簡捷地解決了平面幾何問題.可否利用向量的坐標(biāo)運(yùn)算呢？這需要建立平面直角坐標(biāo)系,找出所需點(diǎn)的坐標(biāo).如果能比較方便地建立起平面直角坐標(biāo)系,如本例中圖形,很方便建立平面直角坐標(biāo)系,且圖形中的各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)也容易寫出,是否利用向量的坐標(biāo)運(yùn)算能更快捷地解決問題呢？教師引導(dǎo)學(xué)生建系、找點(diǎn)的坐標(biāo),然后讓學(xué)生獨(dú)立完成.解:建立如圖6所示的平面直角坐標(biāo)系,取a(0,a)

14、,c(c,0),則b(-c,0),=(0,a),=(c,a),=(c,0),=(2c,0).因?yàn)閎b、cc都是中線,所以=(+)=(2c,0)+(c,a)=(),同理=().因?yàn)閎bcc,所以=0,a2=9c2.所以cosa=. 點(diǎn)評:比較是最好的學(xué)習(xí)方法.本例利用的方法與例題1有所不同,但其本質(zhì)是一致的,教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)體會這一點(diǎn),比較兩例的異同,找出其內(nèi)在的聯(lián)系,以達(dá)融會貫通,靈活運(yùn)用之功效.變式訓(xùn)練圖7 (2004湖北高考) 如圖7,在rtabc中,已知bc=a.若長為2a的線段pq以點(diǎn)a為中點(diǎn),問:的夾角取何值時(shí),的值最大?并求出這個(gè)最大值.解:方法一,如圖7.,·=0.,

15、=-a2-+·=-a2+·(-)=-a2+·=-a2+a2cos.故當(dāng)cos=1,即=0,與的方向相同時(shí),最大,其最大值為0.圖8方法二:如圖8.以直角頂點(diǎn)a為坐標(biāo)原點(diǎn),兩直角邊所在的直線為坐標(biāo)軸,建立如圖所示的平面直角坐標(biāo)系.設(shè)|ab|=c,|ac|=b,則a(0,0),b(c,0),c(0,b),且|pq|=2a,|bc|=a.設(shè)點(diǎn)p的坐標(biāo)為(x,y),則q(-x,-y).=(x-c,y),=(-x,-y-b),=(-c,b),=(-2x,-2y).=(x-c)(-x)+y(-y-b)=-(x2+y2)+cx-by.cos=cx-by=a2cos.=-a2+a

16、2cos.故當(dāng)cos=1,即=0,與的方向相同時(shí), 最大,其最大值為0.知能訓(xùn)練圖91.如圖9,已知ac為o的一條直徑,abc是圓周角.求證:abc=90°.證明:如圖9.設(shè)=a,=b,則=a+b,=a,=a-b,|a|=|b|.因?yàn)?#183;=(a+b)·(a-b)=|a|2-|b|2=0,所以.由此,得abc=90°.點(diǎn)評:充分利用圓的特性,設(shè)出向量.2.d、e、f分別是abc的三條邊ab、bc、ca上的動點(diǎn),且它們在初始時(shí)刻分別從a、b、c出發(fā),各以一定速度沿各邊向b、c、a移動.當(dāng)t=1時(shí),分別到達(dá)b、c、a.求證:在0t1的任一時(shí)刻t1,def的重心不

17、變.圖10證明:如圖10.建立如圖所示的平面直角坐標(biāo)系,設(shè)a、b、c坐標(biāo)分別為(0,0),(a,0),(m,n).在任一時(shí)刻t1(0,1),因速度一定,其距離之比等于時(shí)間之比,有=,由定比分點(diǎn)的坐標(biāo)公式可得d、e、f的坐標(biāo)分別為(at1,0),(a+(m-a)t1,nt1),(m-mt1,n-nt1).由重心坐標(biāo)公式可得def的重心坐標(biāo)為().當(dāng)t=0或t=1時(shí),abc的重心也為(),故對任一t10,1,def的重心不變.點(diǎn)評:主要考查定比分點(diǎn)公式及建立平面直角坐標(biāo)系,只要證abc的重心和時(shí)刻t1的def的重心相同即可.課堂小結(jié)1.由學(xué)生歸納總結(jié)本節(jié)學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)知識有哪些:平行四邊形向量加、減法的幾何模型,用向量方法解決平面幾何問題的步驟,即“三步曲”.特別是這“三步曲”,要提醒學(xué)生理解領(lǐng)悟它的實(shí)質(zhì),達(dá)到熟練掌握的程度.2.本節(jié)都學(xué)習(xí)了哪些數(shù)學(xué)方法:向量法,向量法與幾何法、解析法的比較,將平面幾何問題轉(zhuǎn)化為向量問題的化歸的思想方法,深切體會向量的工具性這一特點(diǎn).作業(yè)課本習(xí)題2.5 a組2,b組3.設(shè)計(jì)感想1.本節(jié)是對研究平面幾何方法的探究與歸納,設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是:充分使用多媒體這個(gè)現(xiàn)代化手段,引導(dǎo)學(xué)生展開觀察、歸納、猜想、論證等一系列思維活動.本節(jié)知識方法容量較大,思維含量較高,教師要把握好火候,恰時(shí)恰點(diǎn)地激發(fā)學(xué)生的智慧火花.2.由于本節(jié)知