動點問題,一直以來是學生的“殤”,尤其是多動點問題,情形復雜,學生不知從何下手.本文擬以課堂教學中遇到的一道壓軸題為例,采取一題一課的形式,從多角度、多維度思量動態(tài)問題中常見的一些存在性問題,旨在提升學生解決動點問題的能力,開拓學生思維,形成解題套路.
一、原題呈現(xiàn)
如圖1,矩形ABCD中,AB=6,AD=8.動點E,F(xiàn)同時分別從點A,B出發(fā),分別沿著射線AD和射線BD的方向均以每秒1個單位的速度運動,連接EF,以EF為直徑作⊙O交射線BD于點M,設運動的時間為t.
(1)當點E在線段AD上時,用關于t的代數(shù)式表示DE,DM.
(2)在整個運動過程中:
①連結CM,當t為何值時,△CDM為等腰三角形;
②當圓心O處在矩形ABCD內(nèi)(包括邊界)時,求t的取值范圍(直接寫出答案).
二、就題論題
先解決第(1)小問,規(guī)范解答如下:
一解一反思:用含有t的代數(shù)式表示圖中的相關線段,這是解決動態(tài)問題最起碼的基本功,可以利用“路程s=速度v×時間t”,設出時間t,將各點運動的路程在圖中標出來,然后利用線段的和差倍分、題中給定的條件或者已學過的相關定理等,將圖中能用t的代數(shù)式表示出來的線段盡可能都表示出來,最后借助勾股定理、相似或者其他知識等列出關于t的方程,求解便可.
對于動態(tài)問題,尤其是復雜的多動點問題,同學們一定要養(yǎng)成標圖的好習慣,像靜態(tài)平面幾何問題一樣,只有標圖清晰、精簡,才有望在復雜的干擾條件中尋找到解題突破口,切記“標好圖、做好題”;
下面羅列筆者的幾個標圖好習慣:
①審題時,迅速將動點的運動方向用箭頭表示出來,像圖1-1那樣,這可以使整個運動概況清晰呈現(xiàn)在眼前,便于捕捉細節(jié),減輕大腦壓力;
②將圖中的所有線段盡可能用最簡潔的方式標記出來,但前提是不能太亂,要精簡節(jié)約,讓人一看就懂,這有利于解題突破口的發(fā)現(xiàn);
③“眼中有角,心中有比”,將圖中確定的角,尤其是相等的角,用相同的符號標記出來,如“單弧”、“雙弧”等,甚至可以用“△”或“☆”等;
總而言之,標圖越清晰,解題越有利.筆者心中標圖的最高境界是“題目扔掉,只看圖形,一看便懂,哪怕是幾十年之后看到此圖,仍舊歷歷在目”,同學們要有意識地自我培養(yǎng)標圖好習慣,這對于幾何的學習、能力的提升,百利而無一害.很多學生之所以難以提高解題能力,一個很大的原因,就是忽視或者錯過了這種最基本的標圖等能力的培養(yǎng).
第(2)小問,情形相對復雜,需要一些見招拆招的本領,下面筆者提供一套解決此類多動點問題的“機械化”思路:
題中有兩個動點,且都在射線上運動,整個過程明顯不止一類情形,如何分類、分幾類是當務之急.
這類復雜的動點問題都可以采取如下方式輕松確定分類標準:
第一步(羅列關鍵時刻,繪制時間軸圖):如圖2-1,將每一個動點經(jīng)過的關鍵點(含起點、拐點、臨界點、終點等),并算出經(jīng)過每一個關鍵點的時刻,利用數(shù)軸工具羅列出這些關鍵時刻,繪制出吾所謂的“關鍵時刻數(shù)軸圖”;
第二步(以時間為標準,確定分類情形):依據(jù)所畫數(shù)軸,本題可分三大類:①0≤t<8;②8≤t<10;③t≥10;
第三步(逐類畫出草圖,細致精準分析):上述三類情形,本質就是兩動點的三種相對位置關系,直觀地說,即:
①點E、F均在D的左側;
②點F在D的左側且點E在D的右側;
③點E、F均在D的右側.據(jù)此,可以畫出各自草圖,借助圖形再細致分析,具體如下:
因為確定的∠CDM是個銳角,故此等腰三角形存在性問題還需再分三小類,即:?DM=DC;?DM=CM;?DC=CM;
注:動點問題,往往設出時間t,將圖中所需線段用含有t的代數(shù)式表示出來后,完全可以視t為常數(shù),問題相當于t時刻的靜態(tài)問題,故有上述△CDM確定之說.
Ⅱ.當8≤t<10時,即當點F在D的左側且點E在D的右側時,如圖2-3(已作局部放大處理),要使△CDM為等腰三角形,由∠CDM為鈍角,只可能CD=DM;
最后只需依據(jù)題意,找到等量關系,列出相應方程,求解即可(注意取舍).
下面提供規(guī)范解答,僅供參考:
一解一反思:多動點或運動路徑為折線型等問題,相對而言,情形復雜,往往需要分類討論,上述解答伊始,利用數(shù)軸羅列各動點在關鍵點(如起點、拐點、終點等)處的時刻,然后依據(jù)數(shù)軸被分各區(qū)域,輕松確立分類標準,這是解決此類復雜動態(tài)問題的通法,需要同學們認真體悟并在以后的解題中靈活運用.
此外,還需有自我意識地培養(yǎng)以下各種基本的解題好意識,以提高解題真本領:
①畫圖好意識:既然要分類,那就多畫圖,一類對一圖.準備好鉛筆、刻度尺、圓規(guī)等畫圖工具,畫出草圖,再結合題目中某些特殊的條件,特事特辦,逐步精準分析定位,想辦法找到合適的等量關系列出方程,求解即可;
②標圖好習慣:幾何學習,重在與圖形打交道,既要培養(yǎng)規(guī)范作圖的好意識,也要養(yǎng)成清晰標圖的好習慣.準備好黑色水筆、圓珠筆、紅筆等,將題目中相等的角標記為同一種符號或者同一種顏色等,這樣有利于分析問題,找到解題的突破口.對于題目的多個問題,也可以采用不同顏色的筆去標記、分析,如用圓珠筆解第(1)問,紅筆分析第(2)問等.這是筆者自己的解題好習慣,沒有多色筆,遇題不想動,尤其是含多個問題或者需一題多解的綜合題等;
③簡化處理圖:要善于對圖形作“減法”或“簡法”處理,慧眼識珠,在復雜全圖中敏銳地捕捉到所需部分,忽略干擾線條,畫出核心結構,另行處理,別地分析,這樣有利于基本圖形識別與構造能力的培養(yǎng),提高分析問題、解決問題的本領;
④確定性思想:平時審題時,常帶著確定性思想去分析問題,樹立“確定的必可求”之意識,尤其是解一些確定的三角形,要借助全等的各種判定方法去分析問題,甚至于眼中無變量,即時間t都能看成為常數(shù),結合這些含有t的“常值”去分析問題、解決問題,無往而不利,“心中常懷確定性,審題解題都給力”!
⑤等腰處理:基于確定性分析,對等腰三角形的存在性問題,若其三個內(nèi)角都不確定,則需由勾股定理等知識(包括坐標系中兩點間距離公式等)將其三邊長均表示出來(“SSS”),再利用兩腰相等為標準,分三類列方程,求解即可,這種處理方式不妨稱為“純代數(shù)法”;
若其某個內(nèi)角確定,只需將此內(nèi)角的兩鄰邊表示出來(“SAS”),再以兩腰相等(或兩底角相等)為標準,分三類,借助三線合一,利用此確定角可以導出這兩個邊的比值,列出方程,求解便可,這種處理方式不妨稱為“純幾何法”;
上面的問題,即采用了這里的“純幾何法”.
⑥眼中有角,心中有比:定邊則定長,定角則定比,基于確定性思想去導角、分析角,利用這些確定的角所在直角三角形三邊之比確定,用比例口算問題等,是一種重要的解題能力,需要同學們在平時的學習中慢慢積累、體會,逐漸成為自己的解題利器.
至于最后一小問,仍依據(jù)上述三大類情形,逐一畫出草圖,然后精準分析,具體如下:
Ⅰ.當0≤t<8時,即點E、F均在D的左側時,如圖3-1,顯然EF的中點O始終處在矩形ABCD內(nèi)(包括邊界),
圖3-2對應t=0的時刻,
而圖3-3對應t=8的時刻,
均符合題意;
Ⅱ.當8≤t<10時,即當點F在D的左側且點E在D的右側時,如圖3-4至圖3-6所示,
顯然,隨著時間t的增加,圓心O經(jīng)歷了由矩形ABCD內(nèi)部到矩形的一邊上,再到矩形外部的過程,而圖3-5的臨界位置就是題眼;
Ⅲ.當t≥10時,即當點E、F均在D的右側時,如圖3-7,顯然圓心O在矩形ABCD的外部,不符合題意.
從以上分析可以看出,解決此問的關鍵是圖3-5所對應的臨界時刻,
即圓心O剛好落在邊CD上時,如何用好這個特殊的條件,是解題的突破口,下面提供兩種解法:
一解一反思:“巧借數(shù)軸妙分類,畫出草圖細分析;鎖定關鍵臨界點,改斜歸正方可解;另謀出路亮新招,建系解析照樣行!”一首打油詩,道盡解題路.
下面常見的解題策略需引起同學們的關注與重視:
①改斜歸正:此題EF的中點O,相當于“斜比”(即EO:OF=1:1),而從E、O、F各點引出的系列“水平-豎直輔助線”,可以化“斜比”為“直比”(即ED:DG=1:1),這是一種重要的化斜為直思想,有著廣泛地應用,尤其是涉及坐標系中的相關問題,同學們都可以嘗試采用“水平-豎直輔助線”去嘗試解決問題,將“斜元素”轉化為“直元素”,往往能化腐朽為神奇,化難為易!
請記住,“當你連嘗試的勇氣都沒有,你就不配擁有成功,也永遠不會成功,哪怕失敗了又有何妨,重頭再來也無所謂,要敢于去想,敢于去嘗試,失敗永遠比退縮更可貴!”
不信,同學們可以嘗試下面這個老師原創(chuàng)題組,深刻體會改“斜”歸正在解題中的妙用:
這里僅提供第(1)小問的解法,如圖3-24所示,其他問題的解法大同小異!
幾點友情提示如下:
①改“斜”歸正策略,構造相關“水平-豎直輔助線”,化斜為直,這是平面直角坐標系中極其重要而基本的輔助線,要勇于嘗試,善于發(fā)現(xiàn);
②“坐標軸”三角形:當坐標系中的直線解析式確定時,它與坐標軸圍成的直角三角形會隨之確定,在解決與直線有關的綜合題時,大家要善于使用這個特征三角形,利用構造的“水平-豎直輔助線”,懷有相似情懷,眼中找角,心中導比,斜直轉化,屢試不爽.
②建系解析法:“數(shù)缺形時少直觀,形缺數(shù)時難入微,數(shù)形結合百般好,隔離分家萬事休”,這是我國著名數(shù)學家華羅庚先生對于數(shù)學的理解,它告誡我們幾何、代數(shù)本為一體,很多幾何問題可以借助代數(shù)手段計算說理,而建立恰當?shù)钠矫嬷苯亲鴺讼担M解析法,這為我們的解題世界打開了一片新天地,建議同學們?nèi)チ私饨馕龇?,但不宜濫用,平時的學習中還是應以幾何法為首要選擇,對于初中生而言,這是培養(yǎng)幾何邏輯思維的重要途徑,否則解析法反而會限制學生思維,阻礙思維發(fā)展,切記,莫濫用,逼不得已再使用,或者與幾何法穿插交替使用,達到爐火純青之境;
拿本題為例,最后一問提供的解析法其實就是在幾何法分析的基礎上,需要求臨近位置時,再選取建系解析法.若本問一股腦地,不管三七二十一,一上來就直接開動解析法,未嘗不可,但計算量過大,而且錯過利用分類畫圖策略,確定臨界位置的大好機會;
純解析法,具體如下,僅供對比之用:
解析法的優(yōu)勢是基本上不動腦袋,只顧著計算,運算能力要求高,對比可見,很多計算都是無用功,根本不需要;幾何法的優(yōu)勢是簡潔美觀,需要一顆玲瓏剔透心,畫出圖形,結合圖形慢慢分析,這對思維能力要求高,包括畫圖分析問題的能力等.其實兩者結合,不失為妙法,兩者相輔相成,彼此守望相助.
凡事無絕對,此題若改編成以下問題,筆者首推解析法:
(改編題)在原題的條件下,當E從點A運動到點D時,求圓心O運動的路徑長.
這里提供了直線型路徑問題的一種重要通法,即解析法,筆者給出如下結論:
①只要目標動點的橫、縱坐標都是關于某個參數(shù)t的一次式時,該動點一定在某條定直線上運動;
②此直線的解析式可以通過令其橫坐標為x,縱坐標為y,然后再消去參數(shù)t,得到y(tǒng)與x的一次函數(shù)關系式,即為目標動點所在的直線解析式;
③最后采取臨界點法,找到目標動點的起點坐標與終點坐標,再利用兩點間距離公式求出其長,即為所求路徑長.
下面提供一道中考真題,供學生鞏固練習之用:
就題論題而言,本題已經(jīng)得到了較深入地解說與探究,但筆者絕不會止步于此,“學而不思、思而不變,廢也”.解題、學習絕不能僅僅停留于題目本身,還應多思考、多探索,一道題、一課題,深入挖掘,收獲更豐!