每當我們去認識一個新問題時,一般會從特殊出發,將特殊情況研究透徹後再去認識一般情況,這樣的研究思路體現了從特殊到一般的思想方法,也符合我們的認知規律。在複習三角形的相似時,我們經常會發現很多基本模型,如果能抓住這些模型,並向一般情形進行推廣,往往能提升我們解決問題的能力。
勾股為引,多個直角三角形的合作
眾所周知,點、線、面是初中幾何研究的基本。我們在研究了線段、直線、射線之後,就研究了兩條直線之間的關係。類似的,我們在研究了最基本的平面圖形三角形後,也就要研究兩個三角形之間的關係。我們在學習中,慢慢總結和得到一些模型和方法。例如「K型圖」「一線三等角」等模型,這些模型或方法,貫穿好幾塊知識區,首先出現在
「勾股定理」這一章。這一章中,最重要的圖即為「弦圖」(如圖1),弦圖中就有「K型圖」(如圖2),也是勾股定理無字證明的典型圖形。
全等為基,兩個三角形之間關係的初探
勾股定理研究了直角三角形的三邊關係,後續的研究也是圍繞單個三角形展開的。在研究了三角形的邊角關係之後,順理成章地進人兩個三角形之間的關係研究。由圖形的平移學習,我們已經初步了解平移前後兩個圖形形狀相同,大小相等。而最基本的封閉圖形就是三角形,從而進人到三角形全等的知識區。此時,圖2成為研究的典型圖形,並被稱為「K型圖」,由此拓展出
「一線三等角」模型。「一線三等角」的背景圖形一般為正方形、等邊三角形、等腰三角形等。
相似為終,兩個三角形的對應關係
在全等的應用中,「一線三等角」模型需要有對應線段相等,但在相似中,只需要有對應的角相等即可,應用時雖天馬行空,但有跡可循。為更好地發現聯繫,我們將展現各種模型。
典型例題,讓理念在實踐中升華
1王強同學用10塊高度都是2cm的相同長方體小木塊,壘了兩堵與地面垂直的木牆,木牆之間剛好可以放進一個等腰直角三角板(AC=BC,∠ACB=90°),點C在DE上,點A和B分別與木牆的頂端重合.
(1)求證:△ADC≌△CEB;
(2)求兩堵木牆之間的距離.
【解析】(1)根據題意可得AC=BC,∠ACB=90°,AD⊥DE,BE⊥DE,進而得到∠ADC=∠CEB=90°,再根據等角的餘角相等可得∠BCE=∠DAC,再證明△ADC≌△CEB即可;
(2)利用全等三角形的性質進行解答.
由題意得:AD=2×3=6cm,BE=7×2=14cm,
∵△ADC≌△CEB,∴EC=AD=6cm,DC=BE=14cm,
∴DE=DC+CE=20(cm),
答:兩堵木牆之間的距離為20cm.
2.如圖,在△ABC中,AB=AC,點A、E、F分別在AB、BC、AC邊上,且BE=CF,BD=CE.
(1)求證:△DEF是等腰三角形.
(2)若△DEF為等邊三角形,求∠A的度數.
【解析】(1)由AB=AC,∠ABC=∠ACB,BE=CF,BD=CE.利用邊角邊定理證明△DBE≌△CEF,然後即可求證△DEF是等腰三角形.
(2)得出∠DEF=60°.可得∠B=∠DEF=60°.則∠C=∠B=60°.可求出結論∠A=60°.
3.如圖,在平面直角坐標系中,等腰直角三角形ABC的頂點A在x軸上,AB=AC,∠BAC=90°,且A(2,0)、B(3,3),BC交y軸於M,
(1)求點C的坐標;
(2)連接AM,求△AMB的面積;
(3)在x軸上有一動點P,當PB+PM的值最小時,求此時P的坐標.
【解析】(1)作CD⊥x軸於D,BE⊥x軸於E,證明△CDA≌△AEB,根據全等三角形的性質得到CD=AE,AD=BE,求出點C的坐標是(﹣1,1);
(2)利用待定係數法求出直線BC的解析式,得到OM的長,根據△AMB的面積=梯形MOEB的面積﹣△AOM的面積﹣△AEB的面積計算,得到答案15/4;
(3)如圖3,作M關於x軸的對稱點M′(0,﹣3/2),連接BM',交x軸於點P,此時PB+PM的值最小,設直線BM′的解析式為y=mx+n,則3m+n=3,n=-3/2,解得m=3/2,n=3/2,∴直線BM′的解析式為y=3/2x﹣3/2,點P在x軸上,當x=0時,y=1,∴點P的坐標為(1,0).
4.(1)問題發現:如圖1,已知:在△ABC中,∠BAC=90°,AB=AC,直線m經過點A,BD⊥直線m,CE⊥直線m,垂足分別為點D、E.
試寫出線段DE,BD和CE之間的數量關係為_____;
(2)思考探究:如圖2,將(1)中的條件改為:在△ABC中,AB=AC,D,A、E三點都在直線m上,並且∠BDA=∠AEC=∠BAC=α,其中α為任意銳角或鈍角.請問(1)中結論還是否成立?若成立,請給出證明;若不成立,請說明理由.
(3)拓展應用:如圖3,D、E是D、A、E三點所在直線m上的兩動點(D,A,E三點互不重合),點F為∠BAC平分線上的一點,且△ABF和△ACF均為等邊三角形,連接BD,CE,若∠BDA=∠AEC=∠BAC,試判斷△DEF的形狀並說明理由.
【解析】(1)根據垂直的定義得到∠BDA=∠CEA=90°,根據等角的餘角相等得到∠CAE=∠ABD,根據「AAS」證明△ADB≌△CEA,根據全等三角形的性質得到AE=BD,AD=CE,結合圖形得到DE=BD+CE;
(2)中結論成立,根據∠BDA=∠AEC=∠BAC,得到∠BAD=∠ACE,由AAS定理證明△BAD≌△ACE,根據全等三角形的性質得到BD=AE,DA=CE,得出結論;
(3)根據等邊三角形的性質得到∠BAC=120°,證明△BAD≌△ACE,得到BD=AE,證明△BDF≌△AEF,得到DF=EF,∠BFD=∠AFE,求出∠DFE=60°,根據等邊三角形的判定定理得到答案△DEF為等邊三角形.
5.(1)如圖1,△ABC為等邊三角形,點D、E分別為邊AB、AC上的一點,將圖形沿線段DE所在的直線翻折,使點A落在BC邊上的點F處.求證:BFCF=BDCE.
(2)如圖2,按圖1的翻折方式,若等邊△ABC的邊長為4,當DF:EF=3:2時,求sin∠DFB的值;
(3)如圖3,在Rt△ABC中,∠A=90°,∠ABC=30°,AC=2√3,點D是AB邊上的中點,在BC的下方作射線BE,使得∠CBE=30°,點P是射線BE上一個動點,當∠DPC=60°時,求BP的長;
【解析】(1)證明:∵△ABC是等邊三角形,∠A=∠B=∠C=60°,
∴∠BDF+∠BFD=180°﹣∠B=120°,
由摺疊知,∠DFE=∠A=60°,∴∠CFE+∠BFD=120°,∴∠BDF=∠CFE,
∵∠B=∠C=60°,∴△BDF∽△CFE,
∴BF/CE=BD/CF,∴BFCF=BDCE;
(2)解:如圖2,設BD=3x(x>0),則AD=AB﹣BD=4﹣3x,
由摺疊知,DF=AD=4﹣3x,
過點D作DH⊥BC於H,∴∠DHB=∠DHF=90°,
(3)如圖3,在Rt△ABC中,AC=2√3,∠ABC=30°,
∴BC=2AC=4√3,AB=√3AC=6,
∵點D是AB的中點,∴BD=1/2AB=3,
過點C作BC的垂線交BP的延長線於Q,∴∠BCQ=90°,
在Rt△BCQ中,∠CBE=30°,∴CQ=BC/√3=4,
∴BQ=2CQ=8,∴∠BCQ=90°,
∵∠CBE=30°,∴∠Q=90°﹣∠CBE=60°,
∴∠DBP=∠ABC+∠CBE=60°=∠Q,∴∠CPQ+∠PCQ=120°,
∵∠DPC=60°,∴∠BPD+∠CPQ=120°,∴∠BPD=∠PCQ,
∴△BDP∽△QPC,∴BD/PQ=BP/CQ,∴3/(8-BP)=BP/4,∴BP=2或BP=6.
6.如圖,正方形ABCD中,AB=12,AE=1/4AB,點P在BC上運動(不與B,C重合),過點P作PQ⊥EP,交CD於點Q,求在點P運動的過程中,BP多長時,CQ有最大值,並求出最大值.
【解析】:∵∠BEP+∠BPE=90°,∠QPC+∠BPE=90°,
∴∠BEP=∠CPQ,
又∠B=∠C=90°,
∴當x=6時,y有最大值為4.即當BP=6時,CQ的最大值.
7.如圖,在△ABC中,BA=BC=12cm,AC=16cm,點P從A點出發,沿AB以每秒3cm的速度向B點運動,同時點Q從C點出發,沿CA以每秒4cm的速度向A點運動,設運動的時間為x秒.
(1)當x為何值時,△APQ與△CQB相似?
∵AC=16cm,∴CQ=4cm,AQ=12cm。
∵BA=BC=12cm,點P從A點出發,沿AB以每秒3cm的速度向B點運動,同時點Q從C點出發,沿CA以每秒4cm的速度向
8.如圖1,在△ABC中,AB=AC,點D,E分別是邊BC,AC上的點,且∠ADE=∠B.
(1)求證:ABCE=BDCD;
(2)若AB=5,BC=6,求AE的最小值;
(3)如圖2,若△ABC為等邊三角形,AD⊥DE,BE⊥DE,點C在線段DE上,AD=3,BE=4,求DE的長.
【解答】(1)證明:∵AB=AC,∴∠B=∠C,
∵∠ADC為△ABD的外角,∴∠ADE+∠EDC=∠B+∠DAB,
∵∠ADE=∠B,∴∠BAD=∠CDE,又∠B=∠C,∴△ABD∽△DCE,
(3)解:作AF⊥BE於F,則四邊形ADEF為矩形,
∴EF=AD=3,AF=DE,∴BF=BE﹣EF=1,
設CD=x,CE=y,則AF=DE=x+y,
題後反思
對「一線三等角」相似模型的基本理解是:一條直線上有三個角相等,就會有「左右「兩個三角形相似。進一步,更深層的理解,「一線三等角」有三個角相等,分布於同一直線上的左、中、右位置,當中間角的頂點是左右角的頂點所成線段的中點時,會同時出現三個三角形相似。
「一線三等角」相似模型是比較常見的一個模型,我們不但要注意特殊的三等角,如三個90°角、三個60°角或三個45°角,還要能推廣到三個相等的任意角,甚至再回到特殊位置時,出現三個三角形同時相似,要從中學會「從特殊走向一般,從一般再回到特殊」的辯證思想,將知識向縱深處拓展。
通過以上案例的分析,我們可以發現,相似三角形這一章在「一線三等角」模型的串聯下,能讓初中數學整體學習得以實現。通過這個模型,初中數學知識點、知識體系得以整體化。我們在學習新的內容時有了類比,那麼在複習時,也就有了全局觀。如果我們能夠結合題目進行有效的變式與整合,多角度體驗模型的適用性和使用條件,就能更深層次地理解模型和模型之外的題型。