高中数学苏教版 (2019)选择性必修第一册3.3 抛物线教学设计
展开学习目标 1.理解抛物线的定义、标准方程及其推导过程.2.掌握抛物线的定义及其标准方程的应用.3.了解抛物线定义的实际应用.
导语
通过前面的学习可以发现,如果动点M到定点F的距离与M到定直线l(不过点F)的距离之比为k,当0
一、抛物线的定义与标准方程
问题1 利用信息技术作图,如图所示,F是定点,l是不经过点F的定直线,H是直线l上任意一点,过点H作MH⊥l,线段FH的垂直平分线m交MH于点M,拖动点H,点M随之运动,你能发现点M满足的几何条件吗?它的轨迹是什么形状?
提示 点M随着点H运动的过程中,始终有MF=MH,即点M与定点F的距离等于它到定直线l的距离,点M的轨迹形状与二次函数的图象相似.
知识梳理
抛物线的定义
平面内到一个定点F和一条定直线l(F不在l上)的距离相等的点的轨迹叫作抛物线(parabla),定点F叫作抛物线的焦点,定直线l叫作抛物线的准线(directrix).
问题2 比较椭圆、双曲线标准方程的建立过程,你认为如何建立坐标系,可能使所求抛物线的方程形式简单?
提示 过F作直线FN⊥直线l,垂足为N,以直线NF为x轴,线段NF的垂直平分线为y轴,建立如图所示的直角坐标系xOy,设焦点F到准线l的距离为p,则Feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(p,2),0)),又设P(x,y)为抛物线上任意一点.过点P作PH⊥l,垂足为H,则PF=PH,得eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(p,2)))2+y2)=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(x+\f(p,2))),
将上式两边平方并化简,得y2=2px(p>0).
知识梳理
注意点:
(1)p的几何意义是焦点到准线的距离.
(2)标准方程的结构特征:顶点在坐标原点、焦点在坐标轴上.
(3)抛物线的开口方向:抛物线的开口方向取决于一次项变量(x或y)的取值范围.
例1 分别求满足下列条件的抛物线的标准方程.
(1)准线方程为2y+4=0;
(2)过点(3,-4);
(3)焦点为直线x+3y+15=0与坐标轴的交点.
解 (1)准线方程为2y+4=0,即y=-2,故抛物线的焦点在y轴的正半轴上,设其方程为x2=2py(p>0).又eq \f(p,2)=2,
∴2p=8,故所求抛物线的标准方程为x2=8y.
(2)∵点(3,-4)在第四象限,
∴抛物线开口向右或向下,
设抛物线的标准方程为y2=2px(p>0)或x2=-2p1y(p1>0).
把点(3,-4)的坐标分别代入y2=2px和x2=-2p1y中,得(-4)2=2p·3,32=-2p1·(-4),即2p=eq \f(16,3),2p1=eq \f(9,4).
∴所求抛物线的标准方程为y2=eq \f(16,3)x或x2=-eq \f(9,4)y.
(3)令x=0,得y=-5;令y=0,得x=-15.
∴抛物线的焦点为(0,-5)或(-15,0).
∴所求抛物线的标准方程为x2=-20y或y2=-60x.
反思感悟 求抛物线的标准方程主要利用待定系数法,其步骤为
(1)依据条件设出抛物线的标准方程的类型.
(2)求参数p的值.
(3)确定抛物线的标准方程.
提醒:当焦点位置不确定时,应分类讨论,也可以设y2=ax或x2=ay(a≠0)的形式,以简化讨论过程.
跟踪训练1 (1)若抛物线y2=2px(p>0)的焦点坐标为(1,0),则p=________,准线方程为________.
答案 2 x=-1
解析 因为抛物线的焦点坐标为(1,0),所以eq \f(p,2)=1,p=2,准线方程为x=-eq \f(p,2)=-1.
(2)焦点在y轴上,焦点到准线的距离为5的抛物线的标准方程为____________.
答案 x2=10y和x2=-10y
解析 设方程为x2=2my(m≠0),由焦点到准线的距离为5,知|m|=5,m=±5,所以满足条件的抛物线有两条,它们的标准方程分别为x2=10y和x2=-10y.
二、抛物线定义的应用
例2 (1)已知抛物线C:y2=x的焦点为F,A(x0,y0)是C上一点,AF=eq \f(5,4)x0,则x0等于( )
A.1 B.2 C.4 D.8
答案 A
解析 ∵eq \f(1,4)+x0=eq \f(5,4)x0,
∴x0=1.
(2)已知点P是抛物线y2=2x上的一个动点,求点P到点(0,2)的距离与P到该抛物线准线的距离之和的最小值.
解 由抛物线的定义可知,抛物线上的点到准线的距离等于它到焦点的距离.由题图可知,点P,点(0,2)和抛物线的焦点Feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2),0))三点共线时距离之和最小,
所以最小距离d=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0-\f(1,2)))2+2-02)=eq \f(\r(17),2).
延伸探究
1.若将本例(2)中的点(0,2)改为点A(3,2),求PA+PF的最小值.
解 将x=3代入y2=2x,
得y=±eq \r(6).
所以点A在抛物线内部.
设点P为其上一点,点P到准线(设为l)x=-eq \f(1,2)的距离为d,
则PA+PF=PA+d.
由图可知,当PA⊥l时,PA+d最小,最小值是eq \f(7,2).
即PA+PF的最小值是eq \f(7,2).
2.若将本例(2)中的点(0,2)换为直线l1:3x-4y+eq \f(7,2)=0,求点P到直线3x-4y+eq \f(7,2)=0的距离与P到该抛物线的准线的距离之和的最小值.
解 如图,作PQ垂直于准线l于点Q,
PA1+PQ=PA1+PF≥A1Fmin.
A1F的最小值为点F到直线3x-4y+eq \f(7,2)=0的距离d=eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(3×\f(1,2)+\f(7,2))),\r(32+-42))=1.
即所求最小值为1.
反思感悟 抛物线定义的应用
实现距离转化.根据抛物线的定义,抛物线上任意一点到焦点的距离等于它到准线的距离,因此,由抛物线定义可以实现点点距与点线距的相互转化,从而简化某些问题.
跟踪训练2 (1)已知抛物线y2=2px(p>0)的焦点F1,若点A(2,-4)在抛物线上,则点A到焦点的距离为________.
答案 4
解析 把点A(2,-4)代入抛物线y2=2px,得16=4p,即p=4,从而抛物线的焦点为(2,0).故点A到焦点的距离为4.
(2)设点A的坐标为(1,eq \r(15)),点P在抛物线y2=8x上移动,P到直线x=-1的距离为d,则d+PA的最小值为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
答案 C
解析 由题意知抛物线y2=8x的焦点为F(2,0),点P到准线x=-2的距离为d+1,于是PF=d+1,
所以d+PA=PF-1+PA的最小值为AF-1=4-1=3.
三、抛物线的实际应用
例3 (1)探照灯反光镜的纵断面是抛物线的一部分,光源在抛物线的焦点处,已知灯口直径是60 cm,灯深40 cm,则光源到反光镜顶点的距离是( )
A.11.25 cm B.5.625 cm
C.20 cm D.10 cm
答案 B
解析 如图,建立平面直角坐标系,设抛物线方程是y2=2px(p>0).
∵A(40,30)在抛物线上,
∴302=2p×40,
∴p=eq \f(45,4),
∴光源到反光镜顶点的距离为eq \f(p,2)=eq \f(\f(45,4),2)=eq \f(45,8)=5.625(cm).
(2)某抛物线形拱桥跨度是20米,拱桥高度是4米,在建桥时,每4米需用一根支柱支撑,则其中最长支柱的长为________米.
答案 3.84
解析 如图,建立平面直角坐标系,设抛物线方程为x2=-2py(p>0).依题意知,点P(10,-4)在抛物线上,
∴100=-2p×(-4),2p=25.
即抛物线方程为x2=-25y.
∵每4米需用一根支柱支撑,
∴支柱横坐标分别为-6,-2,2,6.
由图知,AB是最长的支柱之一.
设点B的坐标为(2,yB),解得yB=-eq \f(4,25),点A的坐标为(2,-4),
∴AB=yB-(-4)=-eq \f(4,25)+4=3.84,
∴最长支柱的长为3.84米.
反思感悟 涉及拱桥、隧道的问题,通常需建立适当的平面直角坐标系,利用抛物线的标准方程进行求解.
跟踪训练3 河上有一抛物线形拱桥,当水面距拱桥顶5 m时,水面宽为8 m,一小船宽4 m,高2 m,载货后船露出水面上的部分高0.75 m,则水面上涨到与抛物线形拱桥顶相距多少米时,小船开始不能通航?
解 如图所示,以拱桥的拱顶为原点,
以过拱顶且平行于水面的直线为x轴,建立平面直角坐标系.设抛物线方程为x2=-2py(p>0),由题意可知点B(4,-5)在抛物线上,故p=eq \f(8,5),得x2=-eq \f(16,5)y.
当船面两侧和抛物线接触时,船不能通航,
设此时船面宽为AA′,则A(2,yA),
由22=-eq \f(16,5)yA,得yA=-eq \f(5,4).
又知船面露出水面上的部分高为0.75 m,
所以h=|yA|+0.75=2(m).
所以水面上涨到与抛物线形拱桥顶相距2 m时,小船开始不能通航.
1.知识清单:
(1)抛物线的定义.
(2)抛物线的标准方程.
(3)抛物线的实际应用.
2.方法归纳:待定系数法、定义法、转化化归.
3.常见误区:混淆抛物线的焦点位置和方程形式.
1.准线与x轴垂直,且经过点(1,-eq \r(2))的抛物线的标准方程是( )
A.y2=-2x B.y2=2x
C.x2=2y D.x2=-2y
答案 B
解析 由题意可设抛物线的标准方程为y2=ax,
则(-eq \r(2))2=a,解得a=2,
因此抛物线的标准方程为y2=2x,故选B.
2.抛物线y=2x2的焦点到准线的距离为( )
A.eq \f(1,8) B.eq \f(1,2) C.eq \f(1,4) D.4
答案 C
解析 根据题意,抛物线的方程为y=2x2,其标准方程为x2=eq \f(1,2)y,其中p=eq \f(1,4),则抛物线的焦点到准线的距离p=eq \f(1,4).
3.设抛物线y2=8x上一点P到y轴的距离是4,则点P到该抛物线焦点的距离是________.
答案 6
解析 由抛物线的方程得eq \f(p,2)=eq \f(4,2)=2,再根据抛物线的定义,可知所求距离为4+2=6.
4.如图是抛物线形拱桥,当水面在l时,拱顶离水面2米,水面宽4米.水位下降1米后,水面宽________米.
答案 2eq \r(6)
解析 建立如图所示的平面直角坐标系,设抛物线的方程为x2=-2py(p>0),则点(2,-2)在抛物线上,代入可得p=1,所以x2=-2y.当y=-3时,x2=6,所以水面宽为2eq \r(6)米.
课时对点练
1.已知抛物线的焦点坐标是(-1,0),则抛物线的标准方程为( )
A.x2=4y B.x2=-4y
C.y2=4x D.y2=-4x
答案 D
解析 ∵抛物线的焦点坐标是(-1,0),
∴抛物线是焦点在x轴负半轴上的抛物线,且eq \f(p,2)=1,得p=2.
∴抛物线的标准方程为y2=-4x.
2.已知抛物线的标准方程为y2=ax,则其焦点坐标为( )
A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a,4),0)) B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(a,4)))
C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(a,4),0)) D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,-\f(a,4)))
答案 A
3.抛物线y=eq \f(1,4)x2的准线方程是( )
A.y=-1 B.y=-2
C.x=-1 D.x=-2
答案 A
解析 因为y=eq \f(1,4)x2,所以x2=4y,所以抛物线的准线方程是y=-1.
4.已知抛物线y2=2px(p>0)的准线经过点(-1,1),则该抛物线焦点坐标为( )
A.(-1,0) B.(1,0)
C.(0,-1) D.(0,1)
答案 B
解析 ∵抛物线的准线方程为x=-eq \f(p,2),
∴-eq \f(p,2)=-1,∴eq \f(p,2)=1,故抛物线的焦点坐标为(1,0).
5.(多选)经过点P(4,-2)的抛物线的标准方程可以为( )
A.y2=x B.x2=8y
C.x2=-8y D.y2=-8x
答案 AC
解析 若抛物线的焦点在x轴上,
设抛物线的方程为y2=2px(p>0),
又因为抛物线经过点P(4,-2),
所以(-2)2=2p×4,解得p=eq \f(1,2),
所以抛物线的方程为y2=x.
若抛物线的焦点在y轴上,
设抛物线的方程为x2=-2py(p>0),
又因为抛物线经过点P(4,-2),
所以42=-2p×(-2),解得p=4,
所以抛物线的方程为x2=-8y.
6.点M(5,3)到抛物线y=ax2准线的距离为6,那么抛物线的方程是( )
A.y=12x2
B.y=12x2或y=-36x2
C.y=-36x2
D.y=eq \f(1,12)x2或y=-eq \f(1,36)x2
答案 D
解析 当a>0时,开口向上,准线方程为y=-eq \f(1,4a),则点M到准线的距离为3+eq \f(1,4a)=6,所以a=eq \f(1,12),所以抛物线方程为y=eq \f(1,12)x2;当a<0时,开口向下,准线方程为y=-eq \f(1,4a),点M到准线的距离为|3+eq \f(1,4a)|=6,所以a=-eq \f(1,36)或eq \f(1,12)(舍去),所以抛物线方程为y=-eq \f(1,36)x2.
综上,抛物线方程为y=eq \f(1,12)x2或y=-eq \f(1,36)x2.
7.已知抛物线的准线过双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的一个焦点,而且与x轴垂直.又抛物线与此双曲线交于点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,2),\r(6))),则抛物线方程为________________,双曲线方程为________.
答案 y2=4x 4x2-eq \f(4,3)y2=1
解析 因为交点在第一象限,其准线垂直于x轴,所以可设抛物线方程为y2=2px(p>0),将点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,2),\r(6)))代入方程得p=2,所以抛物线方程为y2=4x,准线方程为x=-1,由此知道双曲线方程中c=1,焦点为(-1,0),(1,0),点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(3,2),\r(6)))到两焦点距离之差2a=1,所以双曲线的标准方程eq \f(x2,\f(1,4))-eq \f(y2,\f(3,4))=1.
8.在抛物线y2=-12x上,且与抛物线的焦点的距离等于9的点的坐标是________.
答案 (-6,6eq \r(2)),(-6,-6eq \r(2))
解析 由方程y2=-12x,知抛物线的焦点为F(-3,0),准线为l:x=3.设所求点为P(x,y),则由抛物线的定义知PF=3-x,又PF=9,
∴3-x=9,x=-6,代入y2=-12x,得y=±6eq \r(2).
∴所求点的坐标为(-6,6eq \r(2)),(-6,-6eq \r(2)).
9.已知抛物线C:x2=2py(p>0)上两点A,B且AB⊥y轴,OA⊥OB,△AOB的面积为16,求抛物线C的方程.
解 不妨设点A在第一象限且A(m,n),
则B(-m,n),可得m2=2pn,
AB⊥y轴,且OA⊥OB,
即△AOB为等腰直角三角形,
则OA的斜率为1,即m=n,
由△AOB的面积为16,
可得eq \f(1,2)·2m·n=16,
解得m=n=4,p=2,
所以抛物线C的方程为x2=4y.
10.抛物线y2=-2px(p>0)上有一点M的横坐标为-9,它到焦点的距离为10,求此抛物线方程和M点的坐标.
解 设焦点为Feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(p,2),0)),
M点到准线的距离为d,
则d=MF=10,
即9+eq \f(p,2)=10,∴p=2,
∴抛物线方程为y2=-4x.
将M(-9,y)代入抛物线的方程,
得y=±6.∴M点坐标为(-9,6)或(-9,-6).
11.为响应国家“节能减排,开发清洁能源”的号召,小华制作了一个太阳灶,如图所示.集光板由抛物面(抛物线绕对称轴旋转得到)形的反光镜构成,已知镜口圆的直径为2 m,镜深0.25 m,为达到最佳吸收太阳光的效果,容器灶圈应距离集光板顶点( )
A.0.5 m B.1 m
C.1.5 m D.2 m
答案 B
解析 若使吸收太阳光的效果最好,容器灶圈应在抛物面对应轴截面的抛物线的焦点处,
如图,画出抛物面的轴截面,并建立坐标系,
设抛物线方程为x2=2py(p>0),集光板端点A(1,0.25) ,
代入抛物线方程可得2×0.25p=1,解得p=2,
所以抛物线方程为x2=4y,故焦点坐标是F(0,1).
所以容器灶圈应距离集光板顶点1 m.
12.已知抛物线C:y2=8x的焦点为F,准线为l,P是l上一点,Q是直线PF与C的一个交点,若eq \(FP,\s\up6(→))=4eq \(FQ,\s\up6(→)),则QF等于( )
A.eq \f(7,2) B.eq \f(5,2) C.3 D.2
答案 C
解析 过点Q作QQ′⊥l于点Q′,如图.
∵eq \(FP,\s\up6(→))=4eq \(FQ,\s\up6(→)),
∴PQ∶PF=3∶4,
又焦点F到准线l的距离为4,
∴QF=QQ′=3.
13.设抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点为F,点M在C上,MF=5,若以MF为直径的圆过点(0,2),则C的标准方程为( )
A.y2=4x或y2=8x
B.y2=2x或y2=8x
C.y2=4x或y2=16x
D.y2=2x或y2=16x
答案 C
解析 由题意知,Feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(p,2),0)),抛物线的准线方程为x=-eq \f(p,2),则由抛物线的定义知,xM=5-eq \f(p,2),设以MF为直径的圆的圆心为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(5,2),\f(yM,2))),所以圆的方程为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(5,2)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(y-\f(yM,2)))2=eq \f(25,4),又因为圆过点(0,2),所以yM=4,又因为点M在C上,所以16=2peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(5-\f(p,2))),解得p=2或p=8,所以抛物线C的标准方程为y2=4x或y2=16x,故选C.
14.对标准形式的抛物线,给出下列条件:
①焦点在y轴上;
②焦点在x轴上;
③抛物线上横坐标为1的点到焦点的距离等于6;
④由原点向过焦点的某直线作垂线,垂足坐标为(2,1).
其中满足抛物线方程为y2=10x的是________.(要求填写适合条件的序号)
答案 ②④
解析 抛物线y2=10x的焦点在x轴上,②满足,①不满足;
设M(1,y0)是y2=10x上一点,则MF=1+eq \f(p,2)=1+eq \f(5,2)=eq \f(7,2)≠6,所以③不满足;
由于抛物线y2=10x的焦点为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(5,2),0)),
设过该焦点的直线的斜率存在,方程为y=keq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(x-\f(5,2))),若由原点向该直线作垂线,垂足为(2,1)时,则k=-2,此时存在,所以④满足.
15.已知抛物线y=eq \f(1,8)x2与双曲线eq \f(y2,a2)-x2=1(a>0)有共同的焦点F,O为坐标原点,P在x轴上方且在双曲线上,则eq \(OP,\s\up6(→))·eq \(FP,\s\up6(→))的最小值为________.
答案 3-2eq \r(3)
解析 抛物线y=eq \f(1,8)x2,
即x2=8y的焦点为F(0,2).
所以a2=22-12=3,
故双曲线的方程为eq \f(y2,3)-x2=1.
设P(x,y),
因为点P在x轴上方,
故由双曲线的性质可得y≥eq \r(3),eq \(OP,\s\up6(→))=(x,y),
eq \(FP,\s\up6(→))=(x,y-2),
eq \(OP,\s\up6(→))·eq \(FP,\s\up6(→))=x2+y(y-2)=x2+y2-2y
=eq \f(y2,3)+y2-2y-1
=eq \f(4,3)y2-2y-1
=eq \f(4,3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(y2-\f(3,2)y))-1
=eq \f(4,3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(y-\f(3,4)))2-eq \f(7,4).
因为y=eq \f(3,4)
16.一辆卡车高3 m,宽1.6 m,欲通过断面为抛物线形的隧道,如图所示,已知拱口宽AB恰好是拱高OD的4倍.若拱口宽为a m,求能使卡车通过的a的最小整数值.
解 以拱顶O为原点,拱高OD所在直线为y轴,建立平面直角坐标系,如图所示.
设抛物线方程为x2=-2py(p>0).
∵AB是OD的4倍,
∴点B的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a,2),-\f(a,4))).
由点B在抛物线上,得eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a,2)))2=-2p·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(a,4))),
∴p=eq \f(a,2).
∴抛物线方程为x2=-ay.
设点E(0.8,y0)为抛物线上一点,
代入方程x2=-ay,得0.82=-ay0,
∴y0=-eq \f(0.64,a),
∴点E到拱底AB的距离h=eq \f(a,4)-|y0|=eq \f(a,4)-eq \f(0.64,a),
令h>3,则eq \f(a,4)-eq \f(0.64,a)>3,
解得a>6+eq \f(2\r(241),5)或a<6-eq \f(2\r(241),5)(舍去).
∴a的最小整数值为13.图形
标准方程
焦点坐标
准线方程
y2=2px(p>0)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(p,2),0))
x=-eq \f(p,2)
y2=-2px(p>0)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(p,2),0))
x=eq \f(p,2)
x2=2py(p>0)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(p,2)))
y=-eq \f(p,2)
x2=-2py(p>0)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,-\f(p,2)))
y=eq \f(p,2)
高中数学人教A版 (2019)选择性必修 第一册3.3 抛物线教学设计: 这是一份高中数学人教A版 (2019)选择性必修 第一册3.3 抛物线教学设计,共5页。
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