許興華數學(圖片來自萬邦朝聖,特此感謝!)
衆所周知,在高中數學學習過程中,如果學習到“橢圓、雙曲線、抛物線”(簡稱為圓錐曲線)這一内容時,為了加深學生對圓錐曲線三個定義的理解,教師一般都要做出這三種圖形。而作出這三種圓錐曲線圖形的有效方法,目前比較流行的當然是運用“幾何畫闆”方法(這個方法,教師在課堂上可以分别演示給學生觀看),但在上課時,由于并不是每個學生都有一台電腦,所以我們教師就做不到,讓人人動手來親自畫圓錐曲線。
有鑒于此,今天,我們就建議各位老師給學生來一個“奇妙一招”:如何用“尺規作圖”作出橢圓、雙曲線和抛物線?用尺規作圖來作做圓錐曲線的圖形,效果是顯而易見的:每個人都可以有圓規和三角闆,在課堂上能做到讓全班同學人人動手,這對學生深刻理解三種“圓錐曲線”的定義是有非常大的幫助的。
(首先,大家須記住:“尺規作圖”是指用圓規和沒有刻度的直尺來作幾何圖形的一種方法)
【一】用尺規作圖作出橢圓(基本步驟和方法)
1、先作出兩條互相垂直的直線分别作為x軸和y軸,它們的交點為原點O,任意給出兩條線段AB=2a,EF=2c(a>c>0),(此時E、F即為橢圓的兩個焦點),在x軸上依次截取OA=OB=a,OE=OF=c.于是,得到點A、B是橢圓上的兩個點;
2、在線段EF上任取一點C,以E為圓心、AC為半徑畫圓C,以F為圓心、BC為半徑畫圓F,兩圓相交于G、H兩點,則又得到橢圓上的兩點G,H(如下圖1)。
3、在線段EF上任取另一點J,以E為圓心、AJ為半徑畫圓E,以F為圓心、BJ為半徑畫圓F,兩圓相交于I、K兩點,則又得到橢圓上的兩點I,K(如下圖2)。
4.在線段EF上,模仿步驟3,不斷地改變J點的位置,依照上面方法可畫出橢圓上其它的點L、M,......,(如圖3,圖4)
5.用光滑的曲線依次把以上得到的點A、G、I、L、H、K、M,......連結起來,我們就得到了所要作的橢圓的圖形(如圖4).
證明從略,請讀者自己證明一下。
【二】用尺規作圖作出雙曲線(基本步驟和方法)
1、先作出兩條互相垂直的直線分别作為x軸和y軸,它們的交點為原點O,任意給出兩條線段AB=2a,EF=2c(c>a>0),在x軸上依次截取OA=OB=a,OE=OF=c.(其實,E、F即為兩個焦點)。于是,得到點A、B是雙曲線上的兩個點;
2、以E為圓心、2a為半徑畫圓E,過點E任意作一條直線CD交圓E于一點D,連結DF,作DF的垂直平分線交直線DE于C點,則又得到雙曲線上的一點C(如下圖5);
3.模仿上面步驟2,不斷地改變D點的位置為D1,D2,D3,......,依照上面方法可畫出雙曲線上其它的點H、L,......,(如圖6,圖7)
4.用光滑的曲線依次把以上得到的點A、G、I、L、H、K、M,......連結起來,我們就得到了所要作的雙曲線左支的圖形(如圖8).
5.完全類似于以上的步驟和方法可畫出雙曲線的右支(如圖8).
證明從略,請讀者自己證明一下。
【三】用尺規作圖作出抛物線(基本步驟和方法)
1、由抛物線的定義知,抛物線上任意一點B到定點F和定直線L的距離相等。我們先作出一個定點F和一條定直線L(定點F不在定直線L上),過點F作L的垂線,垂足為A1,再取線段FA1的中點B1,于是,得到點B1是抛物線上的一個點;
2、在直線L上任意取一個異于點A1的點A2,連結FA2,作線段FA2的垂直平分線交過A2而平行于x軸的直線于點B2,連結FB2,則又得到抛物線上的一點B2(如上圖9);
3.模仿上面步驟2,不斷地改變A2點的位置為A3,A4,A5,......,依照上面方法可畫出抛物線上其它的點B3、B4,B5......,(如圖9)
4.用光滑的曲線依次把以上得到的點B1、B2、B3、B4、B5、B6、......連結起來,我們就得到了所要作的抛物線的圖形(如圖9).
證明從略,請讀者自己證明一下。
許興華數學(網絡配圖)
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