3.3.2 抛物线的简单几何性质
人教 A 版 · 本节 16 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓
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考过本节的真题
没有考过本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
3.3.2 抛物线的简单几何性质
这一节在做什么:把同一张表格再填一遍
椭圆、双曲线的几何性质,课本是按同一个顺序过的:范围 → 对称性 → 顶点 → 离心率。 到了抛物线,还是这四栏——方法一模一样:拿方程说话。
之所以只研究这一个方程,是因为另外三种(、、) 都能由它经过坐标轴的翻转得到,性质照搬、只换方向。
填出来的表格比椭圆那张短得多,短的地方恰恰是要点:
| 椭圆 | 双曲线 | 抛物线 | |
|---|---|---|---|
| 范围 | 有界,关在矩形里 | 无界,两支 | 无界,一支 |
| 对称性 | 两条轴 + 一个中心 | 两条轴 + 一个中心 | 只有一条轴,没有中心 |
| 顶点 | 4 个 | 2 个 | 1 个 |
| 离心率 | ,是个常数 | ||
| 渐近线 | 无 | 有两条 | 无 |
抛物线没有中心,所以它不叫「有心圆锥曲线」;它的离心率不是参数而是定值 , 所以「求离心率」这类题在抛物线这里不存在——抛物线只有一个形状参数 , 而 管的是张口的宽窄,不是形状的类别。
四条性质,逐条从方程读出来
范围。 ,方程给 ,而 可取一切实数。 所以曲线整个在 轴右侧(含原点),开口朝 轴正方向; 增大时 也增大, 曲线向右上、右下无限延伸。注意「无限延伸」不等于「越来越平」—— 抛物线没有渐近线,它的斜率 随 增大趋于 , 但曲线本身不趋近任何直线。
对称性。 以 代 ,,方程不变,所以图形关于 轴对称。 这条对称轴就叫抛物线的轴。以 代 方程会变,所以关于 轴不对称; 两次都代则更不对称,所以没有对称中心。
顶点。 轴与曲线的交点叫顶点。令 得 ,顶点就是原点——只有一个。
离心率。 抛物线上的点 到焦点 的距离与到准线的距离 之比
这不是算出来的,这就是抛物线的定义本身。它同时说明:圆锥曲线的统一定义 「到定点与到定直线距离之比为常数 」里, 给椭圆、 给双曲线、 给抛物线—— 抛物线是那条分界线。
到底是什么:三句话记牢
是本节唯一的参数,三个位置都要认得:
最常见的错:把 里的 直接当成焦点横坐标。焦点横坐标是 , 是焦准距。判断题里换个写法就容易翻车: 中 、、焦点 ; 中 、、焦点 。
越大开口越宽。 把 、、、 画在同一坐标系里, 的系数越大、开口越宽——因为同一个 对应的 随 增大。 量化这件事的是通径:过焦点且垂直于轴的弦。把 代进方程得 ,所以
通径是抛物线所有焦点弦里最短的一条(后面会看到焦点弦长 , 而 )。记住「通径 」,画草图时开口宽窄一眼就定。
全节最值钱的一条:焦半径公式
抛物线上任一点 到焦点的距离,等于它到准线的距离(定义),而到准线 的距离是横坐标加 :
一个根号都不用开。 椭圆的焦半径要记两条、双曲线要分支讨论,抛物线只有这一条, 而且是定义的直接翻译。凡是题目里出现「到焦点的距离」,第一反应就是把它换成横坐标。
立刻能用的两个推论:
- ,再代方程得 。
- 「到焦点距离最小的点」就是「横坐标最小的点」,即顶点,最小值 。
对 型的抛物线,公式换成 ——永远是「沿开口方向的那个坐标」加 。
焦点弦:把长度换成横坐标之和
设过焦点的直线交抛物线于 、,两次用焦半径公式:
于是「求弦长」退化成「求两根之和」——联立之后只要韦达,不必解出交点、不必开根号。 课本例 4(、斜率 的焦点弦)就是这么做的: 代入得 , ,故 。
两个必须分清的边界:
- 这条公式只对焦点弦成立。 直线不过焦点时, 不再等于 到准线的距离与 的拼接关系也就断了,必须老老实实用弦长公式 。
- 竖直的焦点弦要单独算(就是通径,长 )——设 的那一刻就把它漏掉了。
焦点弦的另外两条常用结论(设直线过 ,写成 代入 得 ):
这两个乘积与直线的倾斜角无关,是判定「弦是否过焦点」的现成标尺。 反过来,若已知 ,则弦必过焦点——很多题的突破口就在这一步。
例 5 那类题:坐标法怎么用
课本例 5:过焦点的弦 ,直线 交准线于 ,求证 平行于对称轴。 证明「平行于 轴」就是证明「两个纵坐标相等」——先把目标翻译成坐标,再动笔。
设 ()。直线 的斜率是 , 与准线 联立得 的纵坐标 ; 另一边由焦点弦的 直接得 的纵坐标也是 。两数相等, 轴。
用 一步到位,比课本原文联立解方程短得多——这也是上一段那两条乘积结论值钱的地方。 课本原文写成解方程 ,本质是同一件事,只是把韦达展开了。
注意课本那句「当 时,易知结论成立」:这不是废话。 意味着 的横坐标是 ,即 是通径、直线 竖直、斜率不存在,前面写的 的方程失效, 必须单独交代。「设斜率」的地方就有一个漏解口子,本节里它出现了不止一次。
直线与抛物线:公共点个数为什么会是「1」两次
把 代入 ,消 得
这个方程未必是二次的,这正是抛物线与椭圆最不同的地方:
- (直线平行于轴):方程退化成一次,恰有一个公共点,但直线不是切线,是穿过去的。
- :真二次, 两个交点、 一个交点(此时才是相切)、 无交点。
- 直线竖直(): 交两点, 交一点(顶点), 无交点。
所以「只有一个公共点」对应两种完全不同的几何情形:相切,或平行于对称轴。 课本习题 3.3 第 12 题(直线绕 旋转)问的就是这件事, 而「方程组解的个数 公共点个数」在这里是成立的——但要记住: 解的个数为 并不等于相切。
椭圆没有这个麻烦,因为椭圆的联立方程二次项系数 恒不为零。 抛物线是唯一会退化的那一个。
中点弦:点差法在抛物线上格外便宜,但那道门也格外容易漏
设弦 的端点 、 都在 上,中点是 ()。 两式相减:
抛物线的中点弦斜率只和中点的纵坐标有关,与横坐标无关。 椭圆、双曲线的同一条公式要同时用上 和 (因为它们有中心, 里带着 ), 抛物线没有中心,这里就白省一个字母——这是本节最实用的一条「便宜」。
两种用法:
-
已知中点求弦: 直接写出直线,不必设斜率联立。
-
已知弦过定点、求中点轨迹:把 的两种写法对齐。 以 ()、弦过 为例,一边 ,另一边 ,两者相等给出
中点走在另一条抛物线上。整题不出现一次联立、一次韦达。
代价在于点差法只用了「两个端点都在曲线上」这一件事——它没有用「两点不重合」, 也没有用「这条直线真的和曲线交于两点」。所以必须补一道门:
点差法算出中点(或中点的轨迹)之后,回头验 ; 几何上等价的说法是中点必须落在抛物线内部(张口那一侧)。
对 ,点 在内部的判据就是 。把上面那条轨迹代进去: 与 联立得 ,即
轨迹上 的那一段是假的: 对应 、 重合(弦退化成切点), 对应直线压根不与曲线交于两点。画轨迹时这一段要画成虚线,或者干脆不画。
顺着这道门读一道真题:浙江 2013 年第 15 题
题目:抛物线 ,焦点 ,过 的直线交抛物线于 、, 是 的中点,,求这条直线的斜率。
上一段已经把轨迹算出来了:,有效段 。在这条轨迹上
于是 在 上严格递增,取值范围是 —— 是够不着的下确界。题目偏偏给 ,所以满足条件的直线不存在。
这个 不是随手挑的,下一段就是它的来历。
准线上的一点看抛物线:两条切线必垂直,切点弦必过焦点
把抛物线上的点写成参数形式会让这一段透明得多。 上的点可统一写成
代回去 ,确实在曲线上; 跑遍实数就跑遍整条抛物线。
过 、 的弦,两点式整理后是
它与 轴的交点横坐标是 。于是两条常考的判据一眼可见:
- 弦过焦点 (这正是前面 的参数写法);
- 弦过准线与轴的交点 。
切线也一样便宜。 由切线模板, 处的切线是 ,斜率 ; 两条切线 、 的交点解出来是
横坐标只由乘积 决定,于是三件事被绑成同一个条件 :
一句话记法:从准线上任一点向抛物线作的两条切线永远互相垂直,两个切点的连线永远过焦点。
回到浙江 2013 年第 15 题: 的准线是 ,题目给的 正在准线上。 从它作的两条切线是 ,切点 恰是通径的两端,而
题目给的那个 ,就是弦退化成切点时 的极限值—— 沿轨迹滑向 的过程中 ,可 永远到不了 (到了就不是弦了)。 所以「」问的是一个正好被挖掉的点,答案只能是不存在。
出题人把边界值当条件给你,是常见的一手。 遇到「求出来的根全被 挡回去」, 先别急着找计算错误——先算一次目标量的取值范围,看给定值是不是恰好落在开端点上。
抛物拱:建系是第一步,也是唯一一步
课本例 6 推出的 是抛物拱的方程。桥拱、隧道顶、卫星天线、 铅球轨迹,都是它。这类应用题的全部技术含量在建系:
- 把顶点放在原点、轴放在坐标轴上——这样方程只剩一个待定的 ,一个条件就能定死。
- 若题目给的是「宽 、高 」,就用点 (开口朝下时)代方程求 。
- 算完一定回代验一次:把另一个已知点代进去看等不等,能挡住绝大多数符号错。
习题 3.3 第 7 题(鱼腹梁,宽 、高 )与第 8 题(拱桥水面下降)都是这个套路; 第 8 题还多一步「下降后求宽」,那是把 换个值再解 ,不涉及新方法。
光学性质:为什么手电筒是抛物面
从焦点发出的光线经抛物线反射后,反射光线平行于轴(习题 3.3 第 13 题要证的就是它)。 反过来,平行于轴射入的光线会汇聚到焦点——太阳灶、卫星天线、反射式望远镜都用这一条。
证明的关键是抛物线在点 处的切线与两条线( 与过 平行于轴的射线)夹角相等。 本节不要求推导切线方程,但它的形状值得记: 在 处的切线是
即「把 换成 、把 换成 」。椭圆、双曲线的切线也是同一种换法, 这是圆锥曲线切线方程的统一模板。
这一节要带走的清单
- 四条性质:范围(一支、)、对称性(一条轴、无中心)、顶点(一个)、离心率(恒为 )。
- 的三个身份:焦点 、准线 、焦准距 ;通径 。
- 焦半径 ——本节唯一必须背下来的公式。
- 焦点弦 ,且 、。
- 直线与抛物线联立会退化: 时一个交点但不相切。
- 应用题先建系(顶点在原点、轴在坐标轴上),算完回代验证。
- 中点弦斜率 (只用中点的纵坐标);点差法算完必验中点在曲线内部(),等价于 。
- 参数点 :弦过焦点 ,过 ;准线上一点的两条切线必垂直、切点弦必过焦点。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
3.3.2 抛物线的简单几何性质 · 习题详解
本节印了四组题:第 141 页练习 4 道、第 143 页练习 5 道、习题 3.3 十三道,以及印在本节页面上的复习参考题 3 十六道(第 150、151 页)。下面逐题给出解答。
练习(第 141 页)第 1 题
- 求适合下列条件的抛物线的标准方程:
(1) 关于 x 轴对称,并且经过点 ;
(2) 关于 y 轴对称,准线经过点 ;
(3) 准线在 y 轴的右侧,顶点到准线的距离是 4;
(4) 焦点 F 在 y 轴负半轴上,经过横坐标为 16 的点 P,且 FP 平行于准线.
四问都只做一件事:先定开口方向(也就是标准方程的形状),再由一个条件定 。
(1) 关于 轴对称、顶点在原点,故方程形如 。点 的横坐标为正, 曲线必须伸到 那一侧,只能是 。代入 :
所求方程 。
(2) 关于 轴对称,故 ,准线是水平直线 。 准线过 ,故准线是 ,在原点下方,开口朝上:,, ,方程 。
(3) 准线在 轴右侧 准线是竖直直线 正数 开口朝左:, 准线 。顶点到准线的距离就是 ,故 ,方程 。
(4) 焦点在 轴负半轴 开口朝下:,焦点 , 准线 (水平)。 平行于准线,就是说 水平,于是 与 同纵坐标, 。代入方程:
方程 。(验:焦点 ,, ✓。)
这一题的通用流程:对称轴定形状 → 已知点或已知距离定 → 回代验一次。 第 (3)(4) 问的坑都在方向:准线在右就开口向左,焦点在下就开口向下,别照着 一路硬套。
练习(第 141 页)第 2 题
- 在同一坐标系中画出下列抛物线,观察它们开口的大小,并说明抛物线开口大小与方程中 的系数的关系:(1);(2);(3);(4)。
四条抛物线都是 型,开口都朝右、顶点都在原点,差别只在 的系数 :
| 方程 | 通径 | 处的半宽 | ||
|---|---|---|---|---|
画出来是四条一层套一层的曲线:系数越大,同一个 对应的 越大,开口越宽。
结论: 的系数(即 )越大,抛物线开口越大。 理由不必靠眼睛—— 同一条竖线 上截得的宽度是 ,它随 单调递增; 更简洁的量化是通径 , 就是 的系数本身。
别记反了:椭圆里分母越大越「胖」,抛物线里系数越大越「张」,两者的参数含义完全不同—— 抛物线的 不是半轴长,是焦点到准线的距离。
练习(第 141 页)第 3 题
- 过点 作斜率为1的直线 ,交抛物线 于 两点,求 .
这道题专门用来提醒: 只对焦点弦成立。 的焦点是 , 而 过 、斜率为 ,方程 ,把 代进去得 —— 不过焦点, 所以只能用一般的弦长公式。
联立 ,消 :
判别式 ,两交点存在,且
于是 ,弦长
对照一下就知道公式用错会差多少:若误用焦点弦公式,会算成 , 而真值是 ——数值很接近,所以这种错最难自己发现。 养成习惯:写 之前,先把焦点坐标代进直线方程验一次。
练习(第 141 页)第 4 题
- 垂直于 轴的直线交抛物线 于 两点,且 ,求直线 的方程.
垂直于 轴的直线设为 。它与 有两个交点,要求 ,此时
两点关于 轴对称,故
由 得 ,。所求直线 的方程是
顺带认一下通径:若 ,则 ,直线正是 (过焦点), 这条弦就是通径,长 。本题的 ,所以 , 交点在焦点右侧,与 随 单调递增相符。
通径最短,说的是”焦点弦里最短”,不是”竖直弦里最短”。 这两句差一个字,含义天差地别: 本题刚算出竖直弦长 在 上严格递增、取值遍历 , 竖直弦根本没有最短的一条(取 就得到长 的竖直弦,比通径的 还短)。 通径的极小性只在”过焦点”这个限制下成立:过焦点的弦长 ,等号当且仅当弦垂直于对称轴。 之所以特殊,是因为它恰好过焦点,不是因为它竖直。
练习(第 143 页)第 1 题
- 求适合下列条件的抛物线的标准方程:
(1) 焦点 F 关于准线的对称点为 ;
(2) 关于 y 轴对称,与直线 y = -12 相交所得线段的长为 12;
(3)关于 轴对称,以焦点和准线上的两点为顶点的三角形是边长为 的等边三角形.
(1) 在 轴上,故对称轴是 轴,方程形如 。 设开口朝上:,焦点 ,准线 。 关于准线(一条水平线)的对称点,纵坐标是
令 得 ,方程 。 (若设开口朝下,同样算得对称点纵坐标为 ,与 矛盾,故舍。) 验:、准线 , 关于它的对称点是 ✓。
(2) 关于 轴对称:。要与 相交,曲线得伸到 ,故开口朝下:。 把 代入:,,弦长 ,得 、。 方程 。验: 时 、,长 ✓。
(3) 关于 轴对称:。等边三角形的三个顶点是焦点 与准线上的两点, 底边落在准线上, 到准线的距离正是这个等边三角形的高:
而焦点到准线的距离恒等于 ,故 ,方程
两个都要写:题目只说「关于 轴对称」,没说开口朝哪边。
练习(第 143 页)第 2 题
- 点 在抛物线 上, 为焦点,直线 与准线相交于点 ,求 .
中 ,,焦点 ,准线 。
在抛物线上:,,即 。
直线 的斜率
方程 。令 (准线)得 ,故 。于是
换个不算斜率的走法(更能看清结构):设 在准线上的射影为 ,则 … 更直接的是用相似: 准线、 到准线的距离为 , 由 「、 与 在准线上的射影」构成的直角三角形, ,其中 。 焦半径 是这一步的钥匙,能省掉一次两点间距离的开方。
练习(第 143 页)第 3 题
- 设抛物线 上的点 与焦点 的距离为4,点 到 轴的距离为 ,求抛物线的方程和点 的坐标.
()开口朝上,焦点 ,准线 , 焦半径公式此时是 (沿开口方向的那个坐标加 )。
设 。「 到 轴的距离」就是 ,故
又 在抛物线上:,所以 , 可约去,得
再由 :
于是抛物线的方程是
而 ,,故
两个点都要给:条件只限定了 到 轴的距离,没限定它在哪一侧。
练习(第 143 页)第 4 题
- 两条直线 和 分别与抛物线 () 相交于不同于原点的 , 两点, 为何值时, 直线 经过抛物线的焦点?
先求 、。把 代入 (,否则直线就是 轴,只交于原点):
非原点的根 ,故 。
把 代入,同理得 。
关键的观察: 与 的横坐标相同。 这是因为 与 关于 轴对称, 而抛物线本身也关于 轴对称,所以 、 关于 轴对称。于是直线 是竖直线
它经过焦点 当且仅当
所以 或 。 此时 就是通径,长 —— 把 代回可得 ✓,与「通径长 」自洽。
练习(第 143 页)第 5 题
- 已知圆心在 轴上移动的圆经过点 ,且与 轴、 轴分别交于 , 两个动点,求点 的轨迹方程.
设圆心为 、半径为 。
用「过 」定半径:圆心在 轴上, 也在 轴上,故 ,即
用「交 轴于 」定 :圆与 轴的两个交点是 与 , 其中一个就是 ,另一个是 。两交点关于圆心对称,故
用「交 轴于 」定 :把 代入 :
消去参数 :由上式 ,代进 :
即点 的轨迹方程
这是一条顶点在原点、开口朝下的抛物线(,焦点 )。
为什么要去掉 : 对应 ,此时圆与 轴相切于原点, 与 都退化成原点,题设的「两个动点」不成立。
验一个具体的圆:取 ,圆 过 ,交 轴于 、 交 轴于 ,即 、,代入 得 ✓。
习题 3.3 第 1 题
- 求下列抛物线的焦点坐标和准线方程:
(1) ; (2) ; (3) ; (4) .
先把每个方程化成标准形,读出 ,再套「焦点在开口方向上、离顶点 」。
(1) :对称轴是 轴,开口朝上,、。
(2) :对称轴 轴,开口朝下,、。
(3) :对称轴 轴,开口朝左,、。
(4) :对称轴 轴,开口朝右,、。
唯一要小心的一步: 是一次项的系数(带符号看开口方向),而焦点坐标是 , 也就是一次项系数的四分之一。 里 但焦点纵坐标是 不是 —— 把这一条记成「系数除以 」最省事。
习题 3.3 第 2 题
- 填空题.
(1)准线方程为 x=2 的抛物线的标准方程是 ____;
(2) 抛物线 上与焦点的距离等于 6 的点的坐标是 ____.
(1) 准线 是竖直线且在 轴右侧,所以开口朝左:,准线 , 得 ,标准方程
(2) 中 、,焦点 ,准线 。由焦半径公式
代回方程 ,。所以点的坐标是
这一小问是焦半径公式的最短示范:若老实用两点距离 ,也能解出 ,但要平方一次、还要检验; 用 则是一步加法。凡是「到焦点的距离」,先换成横坐标。
习题 3.3 第 3 题
- 抛物线 上一点 M 与焦点 F 的距离 ,求点 M 的坐标.
设 。由焦半径公式
代回抛物线方程:
所以
两个都要(抛物线关于 轴对称,条件里没有任何一句能把上下分开)。
顺带一个尺度感: 是通径长,而通径的两个端点横坐标是 ; 这里 ,说明 在通径端点的右边不少—— 焦半径越大,点越靠右,这条单调性可以用来快速验算。
习题 3.3 第 4 题
- 根据下列条件,求抛物线的标准方程,并画出图形:
(1)顶点在原点,对称轴是 轴,并且顶点与焦点的距离等于6;
(2) 顶点在原点,对称轴是 y 轴,并经过点 .
(1) 顶点在原点、对称轴是 轴,故方程为 ,焦点到顶点的距离是 。 由 得 ,故
两条都要:题目没说开口朝哪边。图形是两条关于 轴对称的抛物线, 焦点分别是 与 ,准线分别是 与 。
(2) 顶点在原点、对称轴是 轴,故 。点 的纵坐标为负, 曲线要伸到 ,故开口朝下:。代入 :
所求方程
图形是顶点在原点、开口朝下的抛物线,焦点 ,准线 ,过点 与 —— 焦点恰在 的正右方,因为 的纵坐标 正是焦点的纵坐标, 是通径的一个端点。
习题 3.3 第 5 题
- 如图,M 是抛物线 上的一点,F 是抛物线的焦点,以 Fx 为始边、FM 为终边的角 ,求 .
中 、,焦点 ,准线 。设 。
把 的横坐标用 表示两次,然后让它们相等——这是焦半径题最快的套路。
一方面, 说明从 出发、沿与 轴正向成 的方向走 到达 ,故
另一方面,由焦半径公式
两式联立:,解得
验算:,, ✓。
这条思路的一般形式(焦点弦的极坐标式):对 ,从焦点出发与 轴正向成 角的焦半径
代 、 得 ,与上面一致。
习题 3.3 第 6 题
- 如图,直线 与抛物线 相交于 , 两点,求证: .
要证 ,就是要证 ——两个乘积都能从韦达直接读出来,不必解出 、。
联立 ,消 :
判别式 ,两交点存在,且
再算 (用直线方程换掉 ,不要再联立一次):
于是
故 。
另一条更快的路:把直线写成 代入 得 , 直接读出 ;再由 得 。 把直线写成 是抛物线题的默认动作——既避开「斜率不存在」的分类, 又让 一步到手。
背后的定理:对 , 直线 过定点 。 本题 、, ✓,而 确实过 ✓。
习题 3.3 第 7 题
- 如图, 吊车梁的鱼腹部分 是抛物线的一段, 宽为 , 高为 . 根据图中的坐标系, 求这条抛物线的方程.
先读图定坐标系:图中 是鱼腹的最低点(抛物线顶点)且是原点, 轴水平、 轴竖直向上, 、 是鱼腹两端、在 的上方。所以开口朝上,方程形如
再把「宽 、高 」翻译成一个点:鱼腹宽 指 、 的水平距离, 由对称性它们的横坐标是 ;高 指端点比顶点高 ,故
代入:
所以
验一次另一端: 代入得 ✓。
这类应用题的全部技术含量都在建系那一步:顶点放原点、对称轴放坐标轴, 方程就只剩一个 ,一个已知点就定死了。别忘了写定义域—— 实际的鱼腹只是抛物线的一段, 超出 就没有实物对应。
习题 3.3 第 8 题
- 图中是抛物线形拱桥,当水面在 l 时,拱顶离水面 2 m,水面宽 4 m。水面下降 1 m 后,水面宽多少?(精确到 0.1 m)
建系:以拱顶为原点、竖直向上为 轴正向,拱是开口朝下的抛物线
用「水面在 时」的数据定 :此时拱顶离水面 ,说明水面所在的高度是 ; 水面宽 ,说明水面与拱的两个交点横坐标是 。把 代入:
拱的方程
再问下降 后的宽度:水面降到 ,
水面宽
两个常见错:一是把「拱顶离水面 」写成 (原点在拱顶、水面在下方,应当是 ); 二是最后忘了乘 ——解出的 只是半宽。
习题 3.3 第 9 题
- 从抛物线 上各点向 x 轴作垂线段,求垂线段的中点的轨迹方程,并说明它是什么曲线.
这是标准的「相关点法」(代入法)求轨迹:动点由抛物线上的点带动,就把带动它的那个点用动点表示出来,再代回原方程。
设抛物线上的点为 ,它向 轴作的垂线段的垂足是 ,故中点为
设 ,则
代入 :
它仍是一条抛物线:顶点在原点、对称轴是 轴、开口朝右,其 , 即 ,焦点 、准线 。
一句话的几何解释:这个变换是「纵坐标压缩一半、横坐标不动」, 它把 变成 ——抛物线在纵向压缩下仍是抛物线,只是开口变窄了 ( 从 缩到 ,正好是四分之一)。
习题 3.3 第 10 题
- 已知等边三角形的一个顶点位于原点,另外两个顶点在抛物线 上,求这个等边三角形的边长.
先用对称性把未知量砍到一个。 等边三角形的一个顶点在原点 ,另两个顶点在抛物线上。 抛物线关于 轴对称,而 在对称轴上,故另两个顶点必关于 轴对称 (否则三角形的三条边不可能等长—— 到这两点的距离相等,逼得它们到 轴的距离相等且异侧)。
设它们为 、,。于是 竖直、边长
轴是这个等边三角形的对称轴,故 :
代入 :
所以边长
验算:, ✓, 三边确实等长。
习题 3.3 第 11 题
- 已知 两点的坐标分别是 , , 直线 相交于点 , 且直线 的斜率与直线 的斜率的差是 2, 求点 的轨迹方程.
设 。由 、,
「斜率的差是 」即
通分:分子 ,分母 ,故
即所求轨迹方程
它是一条抛物线:把顶点平移到 、开口朝下,。 去掉 (即点 )是因为那两处 与 或 重合、斜率无从谈起。
验一个点:,、,差为 ✓, 而 ✓。
与复习参考题第 9 题对照着看:那道题把「差是 」换成「和是 」, 分子就从 变成 ,轨迹从抛物线变成双曲线型的 —— 一个加号一个减号,曲线的种类就换了,这正是坐标法的说服力所在。
习题 3.3 第 12 题
- 已知抛物线的方程为 ,直线 绕其上一点 旋转,讨论直线 与抛物线 的公共点个数,并回答下列问题:
(1)画出图形表示直线 与抛物线的各种位置关系,从图中你发现直线 与抛物线只有一个公共点时是什么情况?
(2) 与直线 的方程组成的方程组解的个数与公共点的个数是什么关系?
在抛物线外侧( 要求 ,而 的横坐标是 ), 所以过 的直线可能与抛物线交 、 或 个点。分两类讨论,别漏竖直线。
类别一: 竖直,。 与 无交点(右边为负)。 个公共点。
类别二: 有斜率 ,。 为了不被「二次项系数是否为零」绊住, 把直线写成 关于 的式子会更麻烦( 不在抛物线上),这里直接消 : 由 得 ,代入直线得
- ( 平行于对称轴):方程退化成 ,、。恰 个公共点,但不是相切——直线从抛物线内部穿过去。
- :真二次,
- (且 ): 个公共点。
- 或 : 个公共点,且是相切。 时切点 ; 时切点 。
- 或 : 个公共点。
汇总:
| 公共点个数 | 对应的 |
|---|---|
| ;或 ;或 | |
| (平行于对称轴,穿过);、(相切) | |
| 且 |
(1) 只有一个公共点时有两种几何情形:相切( 或 ), 或直线平行于抛物线的对称轴()。后者是抛物线独有的—— 椭圆没有这种情形,因为椭圆的联立方程二次项系数恒不为零。
(2) 方程组解的个数等于公共点个数。每一组解 恰对应一个公共点,反之亦然; 时方程退化为一次、只有一解,公共点也只有一个,仍然对应。 但要注意:「解的个数为 」不等于「相切」——这正是第 (1) 问要看清的事。
习题 3.3 第 13 题
- 设抛物线 ()的焦点为 ,从点 发出的光线经过抛物线上的点 (不同于抛物线的顶点)反射,证明反射光线平行于抛物线的对称轴.
这就是抛物面反射镜(手电筒、探照灯、卫星天线)的原理。核心是一条等腰三角形。
设抛物线为 (),焦点 ,准线 , 是抛物线上不同于顶点的点(故 、)。
第一步:写出 处的切线。 抛物线 在 处的切线是
(验证: 在其上,因为 ;斜率 与 两边对 求导得的 一致,故确为切线。)
第二步:求切线与 轴的交点 。 令 得 ,故
第三步:发现 是等腰三角形。
故 , 以 为顶角、底边 ,于是
第四步:收口。 过 作平行于 轴、朝抛物线开口方向的射线 (即 方向), 再把切线上与 反向的那条射线记作 。
与射线 同向(都指向 ),所以以直线 为截线时, 与 是同旁内角(不是内错角),于是 。改用 来量这个角就正过来了:
这一行就是反射定律要的那句话:入射光线 与切线所成的角 ,等于射线 与切线(另一侧)所成的角 ;而 与 分别贴在 、 两侧,故 与 关于 处的法线(切线的垂线)互为镜像,且两者在切线的同一侧 ( 与 右方的点都落在切线的凹侧)。所以从 射到 的光线,反射线正是沿 :
证毕。
这一步最容易写错的地方:顺手写成「,故 (内错角)」。 两条边同向的那一对是同旁内角,互补而不相等。拿 (即 ,)在 处验一眼:切线 ,,,而 ——写成相等就当场对不上。 同一个坑还有一句话版本:平分 的是法线,切线平分的是它的外角 (本例 ,法线方向 正是它的平分线)。 若真按「」去理解, 与 就落到切线的两侧去了,反射线会穿进镜子里。
反过来也成立:平行于对称轴射入的光线,反射后全部汇聚到焦点—— 太阳灶、射电望远镜、卫星锅用的都是这一条。
复习参考题 3 第 1 题
- 如图,我国发射的第一颗人造地球卫星的运行轨道,是以地心(地球的中心) 为一个焦点的椭圆。已知它的近地点(离地面最近的点)A 距地面 439 km,远地点(离地面最远的点)B 距地面 2384 km,并且 ,A,B 在同一直线上,地球半径约为 6371 km。求:(1)卫星运行的轨道方程(精确到 1 km);(2)卫星轨道的离心率。
近地点与远地点分别是长轴的两个端点,它们到焦点(地心)的距离就是 与 。 题给的是到地面的距离,所以都要加上地球半径 :
两式相加、相减:
(1) 以长轴所在直线为 轴、椭圆中心为原点,
。精确到 :、, 轨道方程
用 而不是 :两个四位数相乘远比两个八位数相减稳, 也不会因为中途四舍五入把有效数字磨掉。
(2) 离心率
这个数很小,说明卫星轨道很接近圆——近地点与远地点相差近 , 可放在近 的半长轴上仍只偏心 。
复习参考题 3 第 2 题
- 选择题.
(1) 椭圆 与椭圆 的 ( ). (A) 长轴长相等 (B) 短轴长相等 (C) 离心率相等 (D) 焦距相等
(2) 与圆 及圆 都外切的圆的圆心在 ( ) . (A) 椭圆上 (B) 双曲线的一支上 (C) 抛物线上 (D) 圆上
(1) 选 (D)。 第一个椭圆 、,故 。 第二个椭圆的分母是 与 ( 保证两个都为正),故
被减掉了:两个椭圆的 都是 ,焦距 相等,选 (D)。 其余三项都随 变:长轴长 、短轴长 、 离心率 ,取 一验即知都不相等。
这是「同焦点椭圆系」: 的全体()共用焦点 。 记住这个形状,以后遇到「与某椭圆共焦点」直接设它,比设 、 再列方程省一半功夫。
(2) 选 (B)。 第一个圆 :圆心 、半径 ; 第二个圆 配方得 :圆心 、半径 。
设动圆圆心 、半径 。与两圆都外切:
相减消去 :
这是「到两定点距离之差为定值」,且 ,故 在以 、 为焦点、 的双曲线的一支上(靠近 的那一支,因为 更小)。选 (B)。
注意是「一支」不是「双曲线」:差取了定号(,不是 ), 只能是其中一支。
复习参考题 3 第 3 题
- 当 从 到 变化时,方程 表示的曲线的形状怎样变化?
把方程写成 ,按 的符号分段看。 从 到 , 从 单调减到 。
():,单位圆。
():化成
而 ,故是焦点在 轴上的椭圆。 增大时 增大,椭圆沿 方向越拉越长, 离心率 从 增到 ——从圆一路「抻」成无限长的椭圆。
():方程退化为 ,即
两条平行直线。这是椭圆被抻断的那一瞬间。
():记 ,方程化成
是焦点在 轴上的双曲线,实半轴恒为 、虚半轴 。 增大时 增大、虚半轴变小,渐近线斜率 变小,双曲线越来越「收拢」。
():,等轴双曲线,渐近线是 。
一句话总结:圆 焦点在 轴上越来越扁长的椭圆 两条平行直线 焦点在 轴上开口越来越窄的双曲线 等轴双曲线。
复习参考题 3 第 4 题
- 已知直线 与双曲线 没有公共点,求 的取值范围.
联立 ,消 :
必须先看二次项系数是否为零——这是直线与双曲线(以及抛物线)联立特有的一步。
情形一:,即 (直线平行于渐近线 )。方程退化成一次:
各有一个实根,即各有一个公共点。故 不合题意。
情形二:。 无公共点当且仅当
所以
(,所以这个范围里不含 ,两种情形不冲突。)
答案:。
最容易漏的就是情形一:只算 会把 也放进来(那时根本没有 ), 而事实上平行于渐近线的直线与双曲线恰有一个公共点。
复习参考题 3 第 5 题
- 设抛物线的顶点为 ,经过焦点且垂直于对称轴的直线交抛物线于 , 两点,经过抛物线上一点 且垂直于轴的直线与轴交于点 。求证:。
把三段长度都换成坐标,等式就是一个恒等式。
以抛物线的顶点 为原点、对称轴为 轴建系,设
是通径。 过焦点 且垂直于对称轴,即 , 代入得 ,故
与 。 设 在抛物线上。过 垂直于轴的直线是 , 与轴交于 ,故
收口。 在抛物线上给出 ,即
证毕。
这条等式其实就是抛物线方程本身换了身衣服: 里的 是通径长、 是到顶点的横向距离、 是纵向半宽。所以它对任何抛物线、任何 都成立, 不需要额外条件——这也是判断一条曲线是不是抛物线的一个几何判据。
复习参考题 3 第 6 题
- 已知等边三角形的一个顶点位于抛物线 ()的焦点,另外两个顶点在抛物线上,求这个等边三角形的边长.
答案: 与 两个。 这道题有两解,而它与习题 3.3 第 10 题 (顶点在原点)最大的差别正在这里:原点是抛物线的端点,曲线只在它右边,三角形只能朝右张口; 焦点是抛物线内部的点,三角形朝左朝右都摆得下。
设抛物线 (),焦点 。
第一步:对称性是证出来的,不是「由对称性」宣布的。 设另两个顶点为 、。 由焦半径公式 、,等边给出 ,故 ; 代回 得 ,而 会使 ,故 。记 、 ,则 、 关于 轴对称,且
第二步:把等边条件写成不含配置假设的一条方程。 用焦半径(它对抛物线上任何点都成立, 与 在焦点左边还是右边无关):
代入并乘 :
第三步:两个根都是正的,都要留。 判别式 ,
数值上是 与 。
第四步:两解各是什么样子(回代验一遍)。
| 根 | 与 比 | 三角形朝哪张口 | ||
|---|---|---|---|---|
| 大根 | 朝右(、 在焦点右侧) | |||
| 小根 | 朝左(、 挤在焦点左侧、顶点附近) |
取 把小根验到底:,,点在抛物线上 ✓; , ✓ 相等。 小根是真解,不是增根。
🕳️ 这道题最容易丢的那一半解。 常见写法是用顶角 推 ,即 —— 这一步偷偷假设了 ( 在焦点右边)。不带假设的写法是 ,本来就该分两类:另一支 给出 ,正根正是 , 与上面第三步的小根一致。 判据:所求点在某条竖线的哪一侧没被题面钉住时, 那一步就要写成绝对值,或者干脆改用 焦半径——焦半径 对左右两侧同一个式子,天生不需要分类。 顺带一句:「顶点从原点右移到焦点,三角形只会更大」这种单调性检查在这里帮不上忙—— 它只重新确认了大根,恰好把小的那个三角形盖住了。
复习参考题 3 第 7 题
- 已知 是椭圆 上的一点,且在 轴上方, 分别是椭圆的左、右焦点,直线 的斜率为 ,求 的面积.
先把椭圆化成标准形。 两边除以 :
故 、、,、,。
再求 。 直线 过 、斜率 :
代入 :
两边除以 再整理:
,故
对应 : 给 ; 给 。 题设 在 轴上方,故
最后算面积:以 为底、 的纵坐标为高,
「 轴上方」这句话是用来筛根的,不是装饰——两个交点一上一下,漏掉这一步就会得到两个答案。
复习参考题 3 第 8 题
- 如图,从椭圆 上一点 向 轴作垂线,垂足恰为左焦点 。又点 是椭圆与 轴正半轴的交点,点 是椭圆与 轴正半轴的交点,且 ,,求椭圆的方程。
把两条已知条件各翻译成一个等式,、、 就定了。
的坐标。 在椭圆上、向 轴的垂足恰是左焦点 , 说明 的横坐标是 ,即 是左焦点处的半通径端点:
(取 轴上方那个,与图一致)。
条件一:。 、,故
两者相等:
这一步是全题的机关:条件「」等价于 ,于是 、,椭圆的形状被定死了(离心率 ), 只剩一个大小待定。
条件二: 定大小。 、,故
而 ,比较得
所求椭圆方程
验算: ✓, ✓, 、 ✓。
复习参考题 3 第 9 题
- 已知 A, B 两点的坐标分别是 , . 直线 AM, BM 相交于点 M, 且它们的斜率之和是 2, 求点 M 的轨迹方程.
设 。由 、,斜率之和为 :
通分:分子 ,分母 ,故
即所求轨迹方程
也可写成 。
它是什么曲线? 二次曲线 的判别式 , 是双曲线(一条被旋转过的双曲线,两条渐近线分别是 与 )。
验一个点: 时 , 、,和为 ✓。
与习题 3.3 第 11 题并排看:那里是「差为 」,通分后分子是 ( 被消掉), 得抛物线 ;这里是「和为 」,分子是 ( 留下了), 得双曲线 。同一套动作,一个符号之差就换了曲线的种类—— 这正是解析几何「用代数分辨几何」的示范。
复习参考题 3 第 10 题
- 如图,已知直线与抛物线 交于 A,B 两点,且 , 交 AB 于点 D,点 D 的坐标为 ,求 p 的值.
这道题的钥匙是一条定理: 上的弦 满足 ,当且仅当 过定点 。
先证这条定理。 设 、,则
、 都不是原点故 ,于是
再把 写成 (这样不必分「斜率是否存在」),代入 得
比较得 ,即 恒过定点 。
再用垂足条件定 。 且 在 上,而 也在 上,故
代入 :,,
验算: 时定点 ,, 与 的数量积 ✓。
换个说法: 在以 为直径的圆上()。 这个圆是 ,把 代入得 ,同样给出 —— 两种写法算的是同一件事,选顺手的那个。
复习参考题 3 第 11 题
- 已知 的两个顶点 的坐标分别是 ,,且 所在直线的斜率之积等于 ,求顶点 的轨迹.
设 ,(否则 、、 共线,不成三角形)。由
得
再按 分类看它是什么曲线(都要去掉 两点):
| 的范围 | 方程化成 | 曲线 |
|---|---|---|
| 焦点在 轴上的双曲线 | ||
| 圆(半径 ) | ||
| ,且 | 焦点在 轴上的椭圆 | |
| 同上,但 | 焦点在 轴上的椭圆 |
为什么 恰是圆: 就是 , 由「直径所对的圆周角是直角」, 在以 为直径的圆上——几何与代数在这里对上了口供。
这条结论值得记住: 型的轨迹, 给双曲线、 给椭圆(含圆),而长轴的方向由 与 的大小决定。 椭圆的「斜率之积 」(第三定义)正是它的特例。
复习参考题 3 第 12 题
- 在抛物线 上求一点 ,使得点 到直线 的距离最短.
求「曲线上一点到定直线的最短距离」,把距离写成一个变量的函数最省事——抛物线用纵坐标作参数,分子恰好是完全平方。
设 ( 取遍全体实数)。直线写成 ,则
配方:,绝对值可以去掉,故
当且仅当 取等,此时 。所以
另一条路(几何的):最短距离处的切线必平行于已知直线。 在 处的切线斜率是 ,令它等于 得 、, 同样得到 。「平移直线到与曲线相切」是这类最值题的通用图像, 代数配方与几何相切在这里给出同一个点。
复习参考题 3 第 13 题
- 当 变化时,指出方程 表示的曲线的形状.
方程 的右端恰是两个系数之积, 所以只要 就能两边同除,化成
分母 与 的符号与大小决定一切:
| 的范围 | 曲线 | ||
|---|---|---|---|
| 焦点在 轴上的双曲线 | |||
| — | — | 原方程成 ,即直线 ( 轴) | |
| ,且 | 焦点在 轴上的椭圆 | ||
| ,单位圆 | |||
| ,且 | 焦点在 轴上的椭圆 | ||
| — | — | 原方程成 ,即直线 ( 轴) | |
| 焦点在 轴上的双曲线 |
两个端点 、 必须单独算:这时不能除,要回到原方程去看。 很多人化简完就开始讨论分母,正好把这两个退化情形漏掉。
看整体: 从小到大走一遍,曲线依次是 「横双曲线 轴 横椭圆 圆 竖椭圆 轴 竖双曲线」, 两次退化成直线正是双曲线与椭圆互相转换的关口。
复习参考题 3 第 14 题
- 如图,一隧道内设双行线公路,其截面由一个长方形和抛物线构成。为保证安全,要求行驶车辆顶部(设为平顶)与隧道顶部在竖直方向上高度之差至少要有 。已知行车道总宽度 ,那么车辆通过隧道的限制高度是多少米?(精确到 )
先读图定数据:隧道截面下方是长方形(宽 、高 ),上方接一段抛物线, 拱顶离地 ;行车道 总宽 ,居中,即从 到 。
建系:取地面中点为原点、地面为 轴、竖直向上为 轴。 抛物线的顶点在 、开口朝下,且过长方形上沿的两个端点 。设
代入 :
故拱的方程
找最矮的地方:车顶是平的,行车道内隧道最低的高度出现在 最大处,即 :
扣掉安全余量:
精确到 ,限制高度取
这里的四舍五入必须往下取。 若按常规四舍五入写成 , 限高牌就比真实安全值高了 ——安全类的近似一律朝安全的方向截断。
另一个常错点:不要拿拱顶高度 或长方形高度 去算。 车辆占满 宽的车道,决定限高的是车道边缘那一列,不是正中央。
复习参考题 3 第 15 题
- 综合应用抛物线和双曲线的光学性质,可以设计制造反射式天文望远镜。这种望远镜的特点是,镜筒可以很短而观察天体运动又很清楚。例如,某天文仪器厂设计制造的一种镜筒长为 的反射式望远镜,其光学系统的原理如图(中心截口示意图)所示。其中,一个反射镜 弧所在的曲线为抛物线,另一个反射镜 弧所在的曲线为双曲线的一个分支。已知 是双曲线的两个焦点,其中 同时又是抛物线的焦点,试根据图示尺寸(单位:),分别求抛物线和双曲线的方程。
先从图上把三个尺寸读成点的位置。 图中 、 是双曲线的两个焦点, 是它们的中点(坐标原点, 轴沿光轴), 是抛物线的顶点、 是双曲线右支的顶点。 标注给的是
于是
双曲线。 焦距 ,故
(用平方差而不是两个七位数相减,理由同复习参考题第 1 题。) 反射镜 是右支,故双曲线方程
即 的右支。
抛物线。 它的顶点是 、焦点是 (题设 兼作抛物线的焦点),故
在以 为原点的坐标系里,它就是
若统一放在图中那套以 为原点的坐标系里, 的横坐标是 ,方程写成
光路复核(这才是这台望远镜能成立的理由):远处天体射来的光平行于光轴, 先被抛物面 反射、汇聚向它的焦点 ;还没走到 ,就被双曲面 拦住, 而 正是双曲线的一个焦点,由双曲线的光学性质,射向一个焦点的光反射后射向另一个焦点 。 于是像点落在 处——镜筒只有 ,却折出了 那么长的光程。
复习参考题 3 第 16 题
- 过抛物线 ()的焦点 作直线与抛物线交于 , 两点,以 为直径画圆,观察它与抛物线的准线 的关系,你能得到什么结论?相应于椭圆、双曲线如何?你能证明你的结论吗?
结论:以抛物线的焦点弦 为直径的圆,与准线 相切。
证明只用一次焦半径。 设 、 到准线的距离分别是 、, 是 的中点。 由抛物线的定义,
故圆的半径
另一方面要算 到准线的距离。这里有一句必须先验的前提:中点到一条定直线的距离等于 两端点距离的算术平均 ,只在 、 位于该直线同侧时成立; 异侧时是 。(把距离写成带符号的坐标就一目了然: 的坐标是两端点 坐标的平均,取绝对值之前先看两个符号是否相同。) 本题这条前提是真的:整条抛物线都在准线的同一侧(曲线上的点满足 ), 故 、 必同侧,于是
圆心到准线的距离恰等于半径,故圆与准线相切。
推广到椭圆与双曲线:把 放回去就全通了。 由统一定义 、 ( 是到与 对应的那条准线的距离),
这两步同样要先验「同侧」:椭圆整条曲线满足 (右准线在曲线右外侧), 双曲线右支满足 (右准线在右支左侧、且不与右支相交), 两处都是整条(整支)在准线一侧,故 、 必同侧,上式成立。
于是圆心到准线的距离与半径之比恒为 :
| 曲线 | 与 | 圆与对应准线的位置关系 | |
|---|---|---|---|
| 椭圆 | 相离 | ||
| 抛物线 | 相切 | ||
| 双曲线 | 相交 |
这才是这道「观察题」真正要的东西:不是三条互不相干的结论, 而是同一条式子 在 的三个区间里的三种表现。 圆锥曲线的「统一性」在这里看得最清楚—— 就是相切与相离、相交之间的那条分界线。
双曲线的焦点弦跨两支时,结论一样。 这一类不能一句「不涉及」划掉——过焦点的直线本来就 既能截同一支、也能截两支(斜率的绝对值小于渐近线斜率时截两支)。此时两处都要换写法, 而且换得刚好互相抵消:
- 焦点—准线关系 对两支都成立( 是到与 对应那条准线的距离)。 跨支时 落在线段 外,故 , 即 ;
- 跨支时 、 分居右准线异侧(一个在右支上、在准线右方,一个在左支上、在准线左方), 故按上面那条前提,。
两式一比,仍然 (因 ),还是相交。数值验一遍: (,,,右准线 ), 过 作斜率 的直线,两交点的横坐标约为 (右支)与 (左支), ,而 ✓。
所以 是没有例外的一条式子——「统一性」比原先写的还要更彻底一点。
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3.3.2 抛物线的简单几何性质
思考
类比用方程研究椭圆、双曲线几何性质的过程与方法,你认为应研究抛物线
的哪些几何性质?如何研究这些性质?
1. 范围
因为 ,由方程①可知,对于抛物线上的点 ,当 时,抛物线在 轴的右侧,开口方向与 轴的正方向相同;当 的值增大时, 的值也增大,这说明抛物线向右上方和右下方无限延伸.
2. 对称性
以 代 ,方程①不变,所以抛物线关于 轴对称.我们把抛物线的对称轴叫做抛物线的轴.
3. 顶点
抛物线和它的轴的交点叫做抛物线的顶点.在方程①中,当 时,,因此抛物线的顶点就是原点.
4. 离心率
抛物线上的点 与焦点 的距离和点 到准线的距离 的比 ,叫做抛物线的离心率,用 表示。由抛物线的定义可知,。
例3 已知抛物线关于 轴对称,它的顶点在原点,并且经过点 ,求它的标准方程.
解:因为抛物线关于 轴对称,它的顶点在原点,并且经过点 ,所以可设它的标准方程为
因为点 在抛物线上,所以
解得 p=2.
因此,所求抛物线的标准方程是
思考
顶点在原点,对称轴是坐标轴,并且经过点 的抛物线有几条?求出这些抛物线的标准方程.
例4 斜率为1的直线 经过抛物线 的焦点 ,且与抛物线相交于 , 两点,求线段 的长.
分析:由抛物线的方程可以得到它的焦点坐标,又直线 的斜率为1,所以可以求出直线 的方程;与抛物线的方程联立,可以求出 两点的坐标;利用两点间的距离公式可以求出 。这种方法思路直接,具有一般性。请你用此方法求 。
下面介绍另外一种方法——数形结合的方法.
在图3.3-4中,设 由抛物线的定义可知, 等于点 到准线的距离 由 ,得 ,于是 同理, ,于是得

图3.3-4
由此可见,只要求出点 , 的横坐标之和 ,就可以求出
解:由题意可知, , ,焦点 的坐标为(1,0),准线方程为 ,如图3.3-4,设 两点到准线的距离分别为 ,由抛物线的定义,可知
于是
?
因为直线 l 的斜率为 1,且过焦点 ,所以直线 l 的方程为
如果直线 不经过焦点 , 还等于 吗?
①
将①代入方程 ,得 ,化简,得
所以
所以,线段 的长是8.
- 求适合下列条件的抛物线的标准方程:
(1) 关于 x 轴对称,并且经过点 ;
(2) 关于 y 轴对称,准线经过点 ;
(3) 准线在 y 轴的右侧,顶点到准线的距离是 4;
(4) 焦点 F 在 y 轴负半轴上,经过横坐标为 16 的点 P,且 FP 平行于准线.
-
在同一坐标系中画出下列抛物线,观察它们开口的大小,并说明抛物线开口大小与方程中 的系数的关系:(1);(2);(3);(4)。
-
过点 作斜率为1的直线 ,交抛物线 于 两点,求 .
-
垂直于 轴的直线交抛物线 于 两点,且 ,求直线 的方程.
例 5 经过抛物线焦点 F 的直线交抛物线于 A, B 两点, 经过点 A 和抛物线顶点的直线交抛物线的准线于点 D, 求证: 直线 DB 平行于抛物线的对称轴.
分析:我们用坐标法证明这个结论,即通过建立抛物线及直线的方程,运用方程研究直线 DB 与抛物线对称轴之间的位置关系。建立如图 3.3-5 所示的直角坐标系,只要证明点 D 的纵坐标与点 B 的纵坐标相等即可。

证明:如图 3.3-5,以抛物线的对称轴为 x 轴,抛物线的顶点为原点,建立平面直角坐标系 Oxy.设抛物线的方程为
图3.3-5
点 A 的坐标为 ,则直线 OA 的方程为
抛物线的准线方程是 .
③
联立②③,可得点 D 的纵坐标为 .
因为焦点 的坐标是 ,当 时,直线 的方程为
联立①④,消去 ,可得 ,即
可得点 B 的纵坐标为 ,与点 D 的纵坐标相等,于是 DB 平行于 x 轴.
当 时,易知结论成立.
你还有其他证明方法吗?
所以,直线 DB 平行于抛物线的对称轴.
例6 如图3.3-6,已知定点 , 轴于点 , 是线段 上任意一点, 轴于点 , 于点 , 与 相交于点 ,求点 的轨迹方程. 解:设点 ,,其中 ,则点 的坐标为 .
由题意,直线 的方程为
因为点 M 在 OB 上,将点 M 的坐标代入①,得
所以点 P 的横坐标 x 满足②.

直线 的方程为
图3.3-6
因为点 P 在 OE 上,所以点 P 的坐标 满足③.
将②代入③,消去 m,得
即点 P 的轨迹方程.
例 6 中,设点 B 关于 y 轴的对称点为 A,则方程
对应的轨迹是常见的抛物拱 AOB(图 3.3-7)。抛物拱在现实中有许多原型,如桥拱(图 3.3-8)、卫星接收天线等,抛掷出的铅球在空中划过的轨迹也是抛物拱的一部分。


- 求适合下列条件的抛物线的标准方程:
(1) 焦点 F 关于准线的对称点为 ;
(2) 关于 y 轴对称,与直线 y = -12 相交所得线段的长为 12;
(3)关于 轴对称,以焦点和准线上的两点为顶点的三角形是边长为 的等边三角形.
-
点 在抛物线 上, 为焦点,直线 与准线相交于点 ,求 .
-
设抛物线 上的点 与焦点 的距离为4,点 到 轴的距离为 ,求抛物线的方程和点 的坐标.
-
两条直线 和 分别与抛物线 () 相交于不同于原点的 , 两点, 为何值时, 直线 经过抛物线的焦点?
-
已知圆心在 轴上移动的圆经过点 ,且与 轴、 轴分别交于 , 两个动点,求点 的轨迹方程.
习题3.3

复习巩固
- 求下列抛物线的焦点坐标和准线方程:
(1) ; (2) ; (3) ; (4) .
- 填空题.
(1)准线方程为 x=2 的抛物线的标准方程是 ____;
(2) 抛物线 上与焦点的距离等于 6 的点的坐标是 ____.
-
抛物线 上一点 M 与焦点 F 的距离 ,求点 M 的坐标.
-
根据下列条件,求抛物线的标准方程,并画出图形:
(1)顶点在原点,对称轴是 轴,并且顶点与焦点的距离等于6;
(2) 顶点在原点,对称轴是 y 轴,并经过点 .
- 如图,M 是抛物线 上的一点,F 是抛物线的焦点,以 Fx 为始边、FM 为终边的角 ,求 .


- 如图,直线 与抛物线 相交于 , 两点,求证: .
- 如图, 吊车梁的鱼腹部分 是抛物线的一段, 宽为 , 高为 . 根据图中的坐标系, 求这条抛物线的方程.


- 图中是抛物线形拱桥,当水面在 l 时,拱顶离水面 2 m,水面宽 4 m。水面下降 1 m 后,水面宽多少?(精确到 0.1 m)

综合运用
-
从抛物线 上各点向 x 轴作垂线段,求垂线段的中点的轨迹方程,并说明它是什么曲线.
-
已知等边三角形的一个顶点位于原点,另外两个顶点在抛物线 上,求这个等边三角形的边长.
-
已知 两点的坐标分别是 , , 直线 相交于点 , 且直线 的斜率与直线 的斜率的差是 2, 求点 的轨迹方程.

拓广探索
- 已知抛物线的方程为 ,直线 绕其上一点 旋转,讨论直线 与抛物线 的公共点个数,并回答下列问题:
(1)画出图形表示直线 与抛物线的各种位置关系,从图中你发现直线 与抛物线只有一个公共点时是什么情况?
(2) 与直线 的方程组成的方程组解的个数与公共点的个数是什么关系?
- 设抛物线 ()的焦点为 ,从点 发出的光线经过抛物线上的点 (不同于抛物线的顶点)反射,证明反射光线平行于抛物线的对称轴.
? 阅读与思考
圆锥曲线的光学性质及其应用
椭圆、双曲线、抛物线这些圆锥曲线都有焦点。焦点,顾名思义,就是光线的聚集点。这说明圆锥曲线与光线有紧密的联系,圆锥曲线具有丰富的光学性质。
我们知道,当一束光线照到镜面时,光线会依一定的规律反射,即反射角等于入射角(图1)。当光照射到曲面时,特别是由圆锥曲线绕其对称轴旋转而成的曲面时,会有什么现象呢?

我们看生活中的一个实例:一只很小的灯泡发出的
光,会分散地射向各方,但把它装在圆柱形手电筒里,经过适当调节,就能射出一束比较强的平行光线,这是为什么呢?
原来手电筒内,在小灯泡后面有一个反光镜,镜面的形状是一个由抛物线绕它的对称轴旋转所得到的曲面(图2),这种曲面叫做抛物面。抛物线有一条重要性质:从焦点发出的光线,经过抛物线上的一点反射后,反射光线平行于抛物线的轴。探照灯(图3)也是利用这个原理设计的。



应用抛物线的这个性质,也可以使一束平行于抛物线的轴的光线,经过抛物面的反射集中于它的焦点。人们应用这个原理,设计了一种加热水和食物的太阳灶(图4)。在这种太阳灶上装有一个旋转抛物面形的反光镜,当它的轴与太阳光线平行时,太阳光线经过反射后集中于焦点处,这一点的温度就会很高。
椭圆和双曲线的光学性质与抛物线不同。从椭圆的一个焦点发出的光线,经过椭圆反射后,反射光线交于椭圆的另一个焦点上(图5);从双曲线的一个焦点发出的光线,经过双曲线反射后,反射光线是散开的,它们就好像是从另一个焦点射出的一样(图 6)。椭圆、双曲线的光学性质也被人们广泛地应用于各种设计中。



如图 7, 胶片电影放映机的聚光灯有一个反射镜, 它的形状是旋转椭圆面. 为了使影片门 (电影胶片通过的地方) 处获得最强的光线, 灯丝 与影片门 应位于椭圆的两个焦点处, 这就是利用椭圆光学性质的一个实例. 数字电影机采用数字光处理技术 DLP 的数字电影放映新模式, 替代了传统胶片电影放映机胶片图像重现模式, 实现了无胶片放映.

文献阅读与数学写作*
解析几何的形成与发展
对数的发明、解析几何的创始和微积分的建立被马克思主义创始人之一的恩格斯并称为17世纪数学的三大成就。解析几何的产生是科学发展的需要。坐标系的引入,使常量数学进入变量数学时代,而变量进入数学正是近代数学的重要标志。由于变量进入了数学,我们可以研究运动与变化,研究物体运动的轨迹。解析几何可以定量描述物体的运动变化,为研究物体的运动变化提供了方法和工具,特别是为微积分的建立提供了重要支撑。
解析几何是如何形成和发展的?在数学和人类社会的发展历史中起了什么作用?请你按以下要求,查阅与解析几何有关的文献,自己选题,写一篇数学小论文.
一、主题
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解析几何形成与发展的过程;
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解析几何对人类文明的主要贡献.
二、实施建议
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选题:根据个人兴趣,围绕主题,初步确定选题范围;
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分组:相近选题的 5~6 人为一个小组,确定一名组长;
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分配任务:根据个人的具体情况,经小组共同商议,由组长确定每人的具体任务;
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搜集资料:针对具体的论文题目,通过网络、书店、图书馆等多种途径搜集素材,包括文字、图片、数据以及音像资料,并记录相关资料;
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素材汇总:用论文的形式展现小组的实践成果;
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在全班范围进行交流、讨论和总结.
三、参考选题
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解析几何产生的背景;
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解析几何发展中的重要事件;
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对解析几何的形成与发展作出重要贡献的数学家;
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解析几何对人类文明进步的贡献.
一、本章知识结构

二、回顾与思考
圆锥曲线有丰富的现实背景和广泛的实际应用,例如行星运行轨道、抛物运动轨迹、探照灯的镜面等。本章我们结合具体情境探索了椭圆、双曲线和抛物线的几何特征,利用确定三类圆锥曲线的几何要素(如定点、定直线等)合理地建立坐标系,用代数语言描述这些特征,得到相应的标准方程,通过方程研究了圆锥曲线的简单几何性质,并用圆锥曲线的方程解决了一些简单问题。
我们用 C 代表曲线,用 表示方程。通过本章的学习可以看到,只有当曲线 C 上任意一点的坐标都满足方程 ,同时以方程 的解为坐标的点都在曲线 C 上,我们才称“曲线 C 是方程 的曲线”“方程 是曲线 C 的方程”。也只有在这样的条件下,才能通过研究方程 的性质得到曲线 C 的性质。利用坐标系建立曲线与方程的这种关系,是解析几何的基础,在今后的学习中可以进一步体会到。
通过本章的学习可以看到,用坐标法研究几何问题,首先要注意观察相应几何图形的特征,把握确定几何图形的要素,例如椭圆是平面内到两个定点的距离之和等于定长的点的轨迹,这里“两个定点”“距离之和为定长”等就是确定椭圆的几何要素;然后再用坐标法解决,即利用几何特征合理建立坐标系,用坐标表示点,用方程表示几何要素的关系。在此基础上,利用方程研究曲线的性质。可以看到,解析几何中研究椭圆、双曲线、抛物线的过程和方法是一致的。这表明,用代数方法研究几何问题(如圆锥曲线的性质),其处理方法具有统一性。实际上,通过代数方法研究几何图形,不但有利于发现和证明图形的性质,而且这种解决问题的方式基本上是程序化的,这是解析几何的优势所在,是体现数形结合思想方法威力的典范,需要我们在学习中认真体会。
我们发现,用坐标法研究几何图形时,代数式的化简、方程的变形与等价转化等起着很重要的作用。例如,当我们把椭圆的方程化简为标准方程后,就能容易地看出椭圆的范围、对称性、顶点等,发现长轴、短轴、焦距之间的关系,并由此得到刻画椭圆扁平程度的离心率等。所以,学习解析几何需要较强的逻辑推理、数学运算等能力,同学们要给予特别关注。
在圆锥曲线的研究中,信息技术可以发挥很好的作用。例如,运用信息技术,可以方便地画出曲线;通过改变某些量(如椭圆的长轴的长、短轴的长或焦距等),可以帮助我们发现曲线的几何特征及其基本性质(变化中的不变性)等。研究圆锥曲线时,信息技术在发现问题、形成思想方法、获得结论等方面,都能发挥重要作用。
请你带着下面的问题,复习一下全章内容吧!
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你能说说用坐标法研究圆锥曲线的具体过程吗?
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在椭圆、双曲线、抛物线三类圆锥曲线的研究中,椭圆是研究的第一类圆锥曲线,对双曲线、抛物线的研究,我们采用的是类比的方法,你能说说具体的类比内容吗?
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椭圆、双曲线、抛物线的几何特征是什么?这些几何特征在研究圆锥曲线中有什么作用?
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圆锥曲线的几何性质主要包括哪些方面?如何用代数方法研究这些几何性质?
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圆锥曲线的“统一性”体现在哪些方面?你如何理解圆锥曲线的“统一性”?
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如何用直线与圆锥曲线的方程判断它们之间的位置关系?
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数形结合在圆锥曲线的研究中具有重要作用,你能举例说明吗?
复习参考题 3

复习巩固
- 如图,我国发射的第一颗人造地球卫星的运行轨道,是以地心(地球的中心) 为一个焦点的椭圆。已知它的近地点(离地面最近的点)A 距地面 439 km,远地点(离地面最远的点)B 距地面 2384 km,并且 ,A,B 在同一直线上,地球半径约为 6371 km。求:(1)卫星运行的轨道方程(精确到 1 km);(2)卫星轨道的离心率。

- 选择题.
(1) 椭圆 与椭圆 的 ( ). (A) 长轴长相等 (B) 短轴长相等 (C) 离心率相等 (D) 焦距相等
(2) 与圆 及圆 都外切的圆的圆心在 ( ) . (A) 椭圆上 (B) 双曲线的一支上 (C) 抛物线上 (D) 圆上
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当 从 到 变化时,方程 表示的曲线的形状怎样变化?
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已知直线 与双曲线 没有公共点,求 的取值范围.
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设抛物线的顶点为 ,经过焦点且垂直于对称轴的直线交抛物线于 , 两点,经过抛物线上一点 且垂直于轴的直线与轴交于点 。求证:。
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已知等边三角形的一个顶点位于抛物线 ()的焦点,另外两个顶点在抛物线上,求这个等边三角形的边长.

综合运用
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已知 是椭圆 上的一点,且在 轴上方, 分别是椭圆的左、右焦点,直线 的斜率为 ,求 的面积.
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如图,从椭圆 上一点 向 轴作垂线,垂足恰为左焦点 。又点 是椭圆与 轴正半轴的交点,点 是椭圆与 轴正半轴的交点,且 ,,求椭圆的方程。

- 已知 A, B 两点的坐标分别是 , . 直线 AM, BM 相交于点 M, 且它们的斜率之和是 2, 求点 M 的轨迹方程.
(第8题)
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如图,已知直线与抛物线 交于 A,B 两点,且 , 交 AB 于点 D,点 D 的坐标为 ,求 p 的值.
-
已知 的两个顶点 的坐标分别是 ,,且 所在直线的斜率之积等于 ,求顶点 的轨迹.

- 在抛物线 上求一点 ,使得点 到直线 的距离最短.
(第10题)
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当 变化时,指出方程 表示的曲线的形状.
-
如图,一隧道内设双行线公路,其截面由一个长方形和抛物线构成。为保证安全,要求行驶车辆顶部(设为平顶)与隧道顶部在竖直方向上高度之差至少要有 。已知行车道总宽度 ,那么车辆通过隧道的限制高度是多少米?(精确到 )


拓广探索
- 综合应用抛物线和双曲线的光学性质,可以设计制造反射式天文望远镜。这种望远镜的特点是,镜筒可以很短而观察天体运动又很清楚。例如,某天文仪器厂设计制造的一种镜筒长为 的反射式望远镜,其光学系统的原理如图(中心截口示意图)所示。其中,一个反射镜 弧所在的曲线为抛物线,另一个反射镜 弧所在的曲线为双曲线的一个分支。已知 是双曲线的两个焦点,其中 同时又是抛物线的焦点,试根据图示尺寸(单位:),分别求抛物线和双曲线的方程。

- 过抛物线 ()的焦点 作直线与抛物线交于 , 两点,以 为直径画圆,观察它与抛物线的准线 的关系,你能得到什么结论?相应于椭圆、双曲线如何?你能证明你的结论吗?
部分中英文词汇索引
后记
本册教科书是人民教育出版社课程教材研究所中学数学课程教材研究开发中心依据教育部《普通高中数学课程标准(2017年版)》编写的,经国家教材委员会2019年审查通过.
本册教科书的编写,集中反映了我国十余年来普通高中课程改革的成果,吸取了2004年版《普通高中课程标准实验教科书·数学(A版)》的编写经验,凝聚了参与课改实验的教育专家、学科专家、教材编写专家、教研人员和一线教师,以及教材设计装帧专家的集体智慧。本册教科书的编写者还有李海东、张劲松等;本书插图绘制为王俊宏,为本书提供照片的有东方IC图片网(第104页一张图)等。
我们感谢2004年版《普通高中课程标准实验教科书·数学(A版)》的主编刘绍学,副主编钱珮玲、章建跃,以及所有编写人员。我们感谢所有对教科书的编写、出版、试教等提供过帮助与支持的同仁和社会各界朋友。
本册教科书出版之前,我们通过多种渠道与教科书选用作品(包括照片、画作)的作者进行了联系,得到了他们的大力支持。对此,我们表示衷心的感谢!恳请未联系到的作者与我们联系,以便及时支付稿酬。
我们真诚地希望广大教师、学生及家长在使用本册教科书的过程中提出宝贵意见。我们将集思广益,不断修订,使教科书趋于完善。
联系方式
电话:010-58758866
电子邮箱:[email protected]
人民教育出版社 课程教材研究所
中学数学课程教材研究开发中心
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