高中数学人教B版 (2019)选择性必修 第一册第二章 平面解析几何2.5 椭圆及其方程2.5.1 椭圆的标准方程第1课时学案
展开第1课时 椭圆的标准方程
学习目标 1.了解椭圆的实际背景,经历从具体情境中抽象出椭圆的过程、椭圆标准方程的推导与化简过程.2.掌握椭圆的定义、标准方程及几何图形.
导语
同学们,椭圆是圆锥曲线的一种,具有丰富的几何性质,在科研、生产和人类生活中具有广泛的应用,比如大家的水杯,稍微倾斜一点时,水面是椭圆形的,比如大家所熟知的嫦娥系列探测器,它们是按照椭圆形的运行轨迹绕月飞行,那么椭圆到底有怎样的几何特征,我们该如何利用这些特征建立椭圆的方程,从而为研究椭圆的几何性质奠定基础,就让我们开始今天的探究之旅.
一、椭圆的定义
问题1 取一条定长的细线,把它的两端都固定在图板的同一点,套上铅笔,拉紧绳子,移动笔尖,这时笔尖(动点)画出的轨迹是一个圆.如果把细绳的两端拉开一段距离,分别固定在图板中的两点F1,F2,套上铅笔,拉紧绳子,移动笔尖,画出的轨迹是什么曲线? 在这一过程中,移动的笔尖(动点)满足的几何条件是什么?
提示 椭圆,笔尖到两个定点的距离的和等于常数.
知识梳理
如果F1,F2是平面内的两个定点,a是一个常数,且2a>|F1F2|,则平面内满足|PF1|+|PF2|=2a的动点P的轨迹称为椭圆,其中,两个定点F1,F2称为椭圆的焦点,两个焦点之间的距离|F1F2|称为椭圆的焦距.
注意点:(1)椭圆上的点到两焦点距离之和为定值.
(2)定值必须大于两定点的距离.
(3)当距离的和等于|F1F2|时,点的轨迹是线段.
(4)当距离的和小于|F1F2|时,点的轨迹不存在.
例1 点P(-3,0)是圆C:x2+y2-6x-55=0内一定点,动圆M与已知圆相内切且过P点,判断圆心M的轨迹.
解 方程x2+y2-6x-55=0化成标准形式为(x-3)2+y2=64,圆心为(3,0),半径r=8.因为动圆M与已知圆相内切且过P点,所以|MC|+|MP|=r=8,根据椭圆的定义,动点M到两定点C,P的距离之和为定值8>6=|CP|,
所以动点M的轨迹是椭圆.
反思感悟 定义中到两定点的距离之和是常数,而不能是变量.常数(2a)必须大于两定点间的距离,否则轨迹不是椭圆,这是判断曲线是否为椭圆的限制条件.
跟踪训练1 (1)下列命题是真命题的是________.(将所有真命题的序号都填上)
①已知定点F1(-1,0),F2(1,0),则满足|PF1|+|PF2|=eq \r(2)的点P的轨迹为椭圆;
②已知定点F1(-2,0),F2(2,0),则满足|PF1|+|PF2|=4的点P的轨迹为线段;
③到定点F1(-3,0),F2(3,0)的距离相等的点的轨迹为椭圆.
答案 ②
解析 ①eq \r(2)<2,故点P的轨迹不存在;②因为|PF1|+|PF2|=|F1F2|=4,所以点P的轨迹是线段F1F2;③到定点F1(-3,0),F2(3,0)的距离相等的点的轨迹是线段F1F2的垂直平分线(y轴).
(2)如图所示,A是圆O内一定点,B是圆周上一个动点,AB的垂直平分线CD与OB交于点E,则点E的轨迹是( )
A.圆 B.椭圆 C.线段 D.射线
答案 B
解析 连接EA,∵CD垂直平分AB,
∴|EB|=|EA|,设圆的半径为r,
则|EO|+|EA|=|EO|+|EB|=r>|OA|,
故点E的轨迹是以O,A为焦点的椭圆,故选B.
二、椭圆的标准方程的推导
问题2 观察椭圆的形状,你认为怎样建立坐标系可能使所得的椭圆方程形式简单?
提示 观察可以发现椭圆具有对称性,而且过两焦点的直线是它的对称轴,所以我们以经过椭圆两焦点F1,F2的直线为x轴,线段F1F2的垂直平分线为y轴,建立平面直角坐标系xOy,如图所示,此时,椭圆的焦点分别为F1(-c,0)和F2(c,0).
根据椭圆的定义,设M与焦点F1,F2的距离的和等于2a.由椭圆的定义可知,椭圆可看作点集P={M||MF1|+|MF2|=2a}.因为|MF1|=eq \r(x+c2+y2),|MF2|=eq \r(x-c2+y2),
所以eq \r(x+c2+y2)+eq \r(x-c2+y2)=2a.①
为了化简方程①,我们将其左边一个根式移到右边,得eq \r(x+c2+y2)=2a-eq \r(x-c2+y2).②
对方程②两边平方,得
(x+c)2+y2=4a2 -4aeq \r(x-c2+y2)+(x-c)2+y2,
整理,得a2-cx=aeq \r(x-c2+y2),③
对方程③两边平方,得
a4-2a2cx+c2x2=a2x2-2a2cx+a2c2+a2y2,
整理,得(a2-c2)x2+a2y2=a2(a2-c2),④
将方程④两边同除以a2(a2-c2),
得eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,a2-c2)=1,⑤
由椭圆的定义可知2a>2c>0 ,即a>c>0,
所以a2-c2>0.
令b=eq \r(a2-c2),那么方程⑤就是eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0).⑥
我们将方程⑥称为焦点在x轴上的椭圆方程.
问题3 如图,如果焦点F1,F2在y轴上,且F1,F2的坐标分别是(0,-c),(0,c),a,b的意义同上,那么椭圆的方程是什么?
提示 eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0).
知识梳理
注意点:(1)椭圆上的点到两焦点的距离的和为2a.
(2)x2项和y2项谁的分母大,焦点就在谁的轴上.
三、求简单的椭圆的标准方程
例2 求适合下列条件的椭圆的标准方程.
(1)焦点在y轴上,且经过两个点(0,2)和(1,0);
(2)两个焦点的坐标分别是(0,-2),(0,2),并且椭圆经过点eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(3,2),\f(5,2)));
(3)经过点Peq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3),\f(1,3))),Qeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,-\f(1,2))).
解 (1)因为椭圆的焦点在y轴上,
所以设它的标准方程为eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0).
又椭圆经过点(0,2)和(1,0),
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(4,a2)+\f(0,b2)=1,,\f(0,a2)+\f(1,b2)=1,))
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a2=4,,b2=1.))
所以所求的椭圆的标准方程为eq \f(y2,4)+x2=1.
(2)因为椭圆的焦点在y轴上,
所以设它的标准方程为eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0),
由椭圆的定义知,
2a=eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(3,2)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(5,2)+2))2)+eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(3,2)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(5,2)-2))2)
=2eq \r(10),即a=eq \r(10),
又c=2,所以b2=a2-c2=6,
所以所求椭圆的标准方程为eq \f(y2,10)+eq \f(x2,6)=1.
(3)方法一 ①当椭圆焦点在x轴上时,可设椭圆的标准方程为eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0).
依题意,有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))2,a2)+\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))2,b2)=1,,0+\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,2)))2,b2)=1,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a2=\f(1,5),,b2=\f(1,4).))
由a>b>0,知不符合题意,故舍去;
②当椭圆焦点在y轴上时,可设椭圆的标准方程为
eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0).
依题意,有eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))2,a2)+\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))2,b2)=1,,\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(1,2)))2,a2)+0=1,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a2=\f(1,4),,b2=\f(1,5).))
所以所求椭圆的标准方程为eq \f(y2,\f(1,4))+eq \f(x2,\f(1,5))=1.
方法二 设椭圆的方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n).
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\f(1,9)m+\f(1,9)n=1,,\f(1,4)n=1,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(m=5,,n=4.))
所以所求椭圆的方程为5x2+4y2=1,
故椭圆的标准方程为eq \f(y2,\f(1,4))+eq \f(x2,\f(1,5))=1.
反思感悟 确定椭圆标准方程的方法
(1)“定位”是指确定与坐标系的相对位置,在中心为原点的前提下,确定焦点位于哪条坐标轴上,以判断方程的形式.
(2)“定量”是指确定a2,b2的具体数值,常根据条件列方程(组)求解.
跟踪训练2 (1)已知椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的右焦点为F(3,0),点(0,-3)在椭圆上,则椭圆的方程为( )
A.eq \f(x2,45)+eq \f(y2,36)=1 B.eq \f(x2,36)+eq \f(y2,27)=1
C.eq \f(x2,27)+eq \f(y2,18)=1 D.eq \f(x2,18)+eq \f(y2,9)=1
答案 D
解析 由题意可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a2-b2=9,,0+\f(9,b2)=1,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a2=18,,b2=9,))
故椭圆的方程为eq \f(x2,18)+eq \f(y2,9)=1.
(2)椭圆的两个焦点分别为(0,-4)和(0,4),且椭圆上一点P到两焦点的距离之和为10,则椭圆的标准方程为________________.
答案 eq \f(y2,25)+eq \f(x2,9)=1
解析 依题意,c=4,且焦点在y轴上,
又∵2a=10,∴a=5,
∴b2=a2-c2=9,
故所求的椭圆方程为eq \f(y2,25)+eq \f(x2,9)=1.
1.知识清单:
(1)椭圆的定义.
(2)椭圆的标准方程.
(3)椭圆定义及标准方程的应用.
2.方法归纳:数形结合、分类讨论.
3.常见误区:
(1)椭圆定义中2a>|F1F2|易忽视;
(2)易忽视椭圆的标准方程有两种情况.
1.设F1,F2为定点,|F1F2|=6,动点M满足|MF1|+|MF2|=6,则动点M的轨迹是( )
A.椭圆 B.直线
C.圆 D.线段
答案 D
解析 ∵|MF1|+|MF2|=6=|F1F2|,
∴动点M的轨迹是线段.
2.已知椭圆的焦点为(-1,0)和(1,0),点P(2,0)在椭圆上,则椭圆的方程为( )
A.eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1 B.eq \f(x2,4)+y2=1
C.eq \f(y2,4)+eq \f(x2,3)=1 D.eq \f(y2,4)+x2=1
答案 A
解析 c=1,由点P(2,0)在椭圆上,可得a=2,b2=3,
∴椭圆的方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1.
3.若方程x2+ky2=2表示焦点在y轴上的椭圆,那么实数k的取值范围是( )
A.(0,+∞) B.(0,2)
C.(1,+∞) D.(0,1)
答案 D
解析 ∵方程x2+ky2=2,即eq \f(x2,2)+eq \f(y2,\f(2,k))=1表示焦点在y轴上的椭圆,∴eq \f(2,k)>2,故0
答案 椭圆
解析 设A(2,0),B(-2,0),则eq \r(x-22+y2)表示|PA|,
eq \r(x+22+y2)表示|PB|,又|AB|=4,
所以|PA|+|PB|=8>4,
所以点P的轨迹是以A,B为焦点的椭圆.
课时对点练
1.椭圆eq \f(x2,25)+eq \f(y2,169)=1的焦点坐标是( )
A.(±5,0) B.(0,±5)
C.(0,±12) D.(±12,0)
答案 C
解析 椭圆的焦点在y轴上,且a2=169,b2=25,
所以c2=a2-b2=144,
所以c=12,故焦点坐标为(0,±12).
2.已知椭圆5x2+ky2=5的一个焦点坐标是(0,2),那么k的值为( )
A.-1 B.1 C.eq \r(5) D.-eq \r(5)
答案 B
解析 原方程可化简为x2+eq \f(y2,\f(5,k))=1,
由c2=eq \f(5,k)-1=4,得k=1.
3.已知椭圆的焦距是6,且椭圆上的点到两个焦点的距离之和等于10,则椭圆的标准方程是( )
A.eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1 B.eq \f(y2,25)+eq \f(x2,16)=1
C.eq \f(x2,25)+eq \f(y2,4)=1 D.eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1或eq \f(y2,25)+eq \f(x2,16)=1
答案 D
解析 依题意2c=6,2a=10,
即a=5,c=3,b=4,
但该椭圆的焦点位置不明确,
故椭圆的标准方程为eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1或eq \f(y2,25)+eq \f(x2,16)=1.
4.P是椭圆eq \f(x2,16)+eq \f(y2,9)=1上一点,F1,F2分别是椭圆的左、右焦点,若|PF1|·|PF2|=12,则∠F1PF2的大小为( )
A.60° B.30° C.120° D.150°
答案 A
解析 由椭圆的定义得
|PF1|+|PF2|=8,|F1F2|=2eq \r(7),
∴(|PF1|+|PF2|)2=64,
∵|PF1|·|PF2|=12,∴|PF1|2+|PF2|2=40,
在△F1PF2中,cs∠F1PF2=eq \f(40-28,2×12)=eq \f(1,2),
∵0°<∠F1PF2<180°,∴∠F1PF2=60°.
5.(多选)已知在平面直角坐标系中,点A(-3,0),B(3,0),点P为一动点,且|PA|+|PB|=2a(a≥0),下列说法中正确的是( )
A.当a=2时,点P的轨迹不存在
B.当a=4时,点P的轨迹是椭圆,且焦距为3
C.当a=4时,点P的轨迹是椭圆,且焦距为6
D.当a=3时,点P的轨迹是以AB为直径的圆
答案 AC
解析 当a=2时,2a=4<|AB|,故点P的轨迹不存在,A正确;
当a=4时,2a=8>|AB|,故点P的轨迹是椭圆,且焦距为|AB|=6,B错误,C正确;
当a=3时,2a=6=|AB|,故点P的轨迹为线段AB,D错误.
6.(多选)使方程eq \f(x2,m+1)+eq \f(y2,5-m)=1表示椭圆的m的值可以是( )
A.2 B.3 C.4 D.0
答案 BCD
解析 ∵方程eq \f(x2,m+1)+eq \f(y2,5-m)=1表示椭圆,
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(m+1>0,,5-m>0,,m+1≠5-m,))解得-1
答案 eq \f(y2,16)+x2=1
解析 由已知2a=8,2c=2eq \r(15),得a=4,c=eq \r(15),
所以b2=a2-c2=16-15=1.
又椭圆的焦点在y轴上,
所以椭圆的标准方程为eq \f(y2,16)+x2=1.
8.设P为椭圆eq \f(x2,4)+eq \f(y2,9)=1上的任意一点,F1,F2为其上、下焦点,则|PF1|·|PF2|的最大值是________.
答案 9
解析 |PF1|+|PF2|=2a=6,
|PF1|·|PF2|≤eq \f(|PF1|+|PF2|2,4)=9,
当且仅当|PF1|=|PF2|=3时取等号.
9.求满足下列条件的椭圆的标准方程:
(1)焦点在y轴上,焦距是4,且经过点M(3,2);
(2)c∶a=5∶13,且椭圆上一点到两焦点的距离的和为26.
解 (1)由焦距是4可得c=2,
且焦点坐标为(0,-2),(0,2).
由椭圆的定义知,2a=eq \r(32+2+22)+eq \r(32+2-22)=8,
所以a=4,所以b2=a2-c2=16-4=12.
又焦点在y轴上,所以椭圆的标准方程为eq \f(y2,16)+eq \f(x2,12)=1.
(2)由题意知,2a=26,即a=13,
又c∶a=5∶13,所以c=5,
所以b2=a2-c2=132-52=144,
因为焦点所在的坐标轴不确定,所以椭圆的标准方程为eq \f(x2,169)+eq \f(y2,144)=1或eq \f(y2,169)+eq \f(x2,144)=1.
10.已知圆M:(x+1)2+y2=1,圆N:(x-1)2+y2=9,动圆P与圆M外切并且与圆N内切,圆心P的轨迹为曲线C.求C的方程.
解 由已知得圆M的圆心为M(-1,0),半径r1=1;圆N的圆心为N(1,0),半径r2=3.
设圆P的圆心为P(x,y),半径为R.
动圆P与圆M外切并且与圆N内切,
所以|PM|+|PN|=(R+r1)+(r2-R)=r1+r2=4>|MN|.
由椭圆定义可知,曲线C是以M,N为左、右焦点的椭圆(点(-2,0)除外),其方程为eq \f(x2,4)+eq \f(y2,3)=1(x≠-2).
11.椭圆eq \f(x2,12)+eq \f(y2,3)=1的一个焦点为F1,点P在椭圆上,如果线段PF1的中点M在y轴上,那么点M的纵坐标为( )
A.±eq \f(3,4) B.±eq \f(\r(2),2) C.±eq \f(\r(3),2) D.±eq \f(\r(3),4)
答案 D
解析 ∵线段PF1的中点M在y轴上且O是线段F1F2的中点(F2为椭圆的另一个焦点),
∴PF2⊥x轴,∴点P的横坐标是±3,
∵点P在椭圆上,∴eq \f(±32,12)+eq \f(y2,3)=1,
即y2=eq \f(3,4),∴y=±eq \f(\r(3),2).
∴点M的纵坐标为±eq \f(\r(3),4).
12.椭圆mx2+ny2+mn=0(m
C.(0,±eq \r(n-m)) D.(±eq \r(m-n),0)
答案 C
解析 化为标准方程为eq \f(x2,-n)+eq \f(y2,-m)=1,
因为m
所以焦点在y轴上,且c=eq \r(-m--n)=eq \r(n-m).
所以焦点坐标是(0,±eq \r(n-m)).
13.已知椭圆eq \f(x2,4)+y2=1的焦点为F1,F2,点M在该椭圆上,且eq \(MF1,\s\up6(→))·eq \(MF2,\s\up6(→))=0,则点M到x轴的距离为( )
A.eq \f(2\r(3),3) B.eq \f(2\r(6),3) C.eq \f(\r(3),3) D.eq \r(3)
答案 C
解析 由eq \(MF1,\s\up6(—→))·eq \(MF2,\s\up6(—→))=0,得MF1⊥MF2,
可设|eq \(MF1,\s\up6(—→))|=m,|eq \(MF2,\s\up6(—→))|=n,
在△F1MF2中,由m2+n2=4c2,
得(m+n)2-2mn=4c2,根据椭圆的定义有m+n=2a,
所以2mn=4a2-4c2,故mn=2b2,即mn=2,
所以=eq \f(1,2)·mn=1,
设点M到x轴的距离为h,则eq \f(1,2)×|F1F2|×h=1,
又|F1F2|=2eq \r(3),故h=eq \f(\r(3),3).
14.已知P为椭圆eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1上的一点,M,N分别为圆(x+3)2+y2=1和圆(x-3)2+y2=4上的点,则|PM|+|PN|的最小值为________.
答案 7
解析 由题意知椭圆的两个焦点F1,F2分别是两圆的圆心,且|PF1|+|PF2|=10,从而|PM|+|PN|的最小值为|PF1|+|PF2|-1-2=7.
15.椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的右焦点为F,椭圆C与x轴正半轴交于点A,与y轴正半轴交于B(0,2),且eq \(BF,\s\up6(→))·eq \(BA,\s\up6(→))=4eq \r(2)+4,则椭圆C的方程为( )
A.eq \f(x2,4)+eq \f(y2,2)=1 B.eq \f(x2,6)+eq \f(y2,4)=1
C.eq \f(x2,8)+eq \f(y2,4)=1 D.eq \f(x2,16)+eq \f(y2,8)=1
答案 C
解析 由已知得F(c,0),A(a,0),B(0,2),
所以eq \(BF,\s\up6(→))·eq \(BA,\s\up6(→))=(c,-2)·(a,-2)=ac+4=4eq \r(2)+4,
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(b=2,,ac=4\r(2),,a2=b2+c2,))解得a2=8,b2=4,c2=4.
所以椭圆C的方程为eq \f(x2,8)+eq \f(y2,4)=1.
16.已知P点在以坐标轴为对称轴的椭圆上,点P到两焦点的距离分别为eq \f(4\r(5),3)和eq \f(2\r(5),3),过点P作焦点所在的坐标轴的垂线,垂足恰好为椭圆的一个焦点,求此椭圆的方程.
解 设椭圆的两个焦点分别为F1,F2,
不妨取|PF1|=eq \f(4\r(5),3),|PF2|=eq \f(2\r(5),3),
由椭圆的定义,知2a=|PF1|+|PF2|=2eq \r(5),即a=eq \r(5).
由|PF1|>|PF2|知,PF2垂直于焦点所在的坐标轴.
在Rt△PF2F1中,4c2=|PF1|2-|PF2|2=eq \f(60,9),
∴c2=eq \f(5,3),∴b2=a2-c2=eq \f(10,3).
又所求的椭圆的焦点可以在x轴上,也可以在y轴上,故所求的椭圆方程为eq \f(x2,5)+eq \f(3y2,10)=1或eq \f(3x2,10)+eq \f(y2,5)=1.焦点在x轴上
焦点在y轴上
标准方程
eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)
eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0)
图形
焦点坐标
(-c,0),(c,0)
(0,-c),(0,c)
焦距
2c
a,b,c的关系
a>b>0,a>c>0,a2=b2+c2
高中第二章 平面解析几何2.5 椭圆及其方程2.5.1 椭圆的标准方程导学案: 这是一份高中第二章 平面解析几何2.5 椭圆及其方程2.5.1 椭圆的标准方程导学案,共14页。
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