从解直角三角形到三角函数的应用

直角三角形有三角边(两条直角边和一条斜边),三个角(两个锐角和一个直角),一共有六个元素,依据给出的条件将直角三角形中的六个元素都求出来的过程,就是解直角三角形的过程。

如何去解直角三角形呢?这就需要用到直角三角形角之间的关系(直角三角形的两个锐角互余)、边之间的关系(勾股定理)、以及边角关系(锐角三角函数:正弦、余弦、正切)!

若已知其中的一个元素,一个锐角/一条边,则无法求解。原因是,只知一个锐角的度数,边的长度无法求出!只知一条边的长度,无法通过勾股定理去求其它边的长度,也无法通过三角函数去求锐角的度数,所以也不能解直角三角形。

若已知其中的两个元素,两个锐角/两条边/一个锐角和一条边,我们分析如下:①两个锐角:因另一个锐角可通过互余求出,本质还是已知一个锐角度数,故仍然无法建立与边的关系,无法求出边的长度;②两条边:无论是两条直角边,还是一条直角边一条斜边,都可以利用勾股定理求出第三条边的长度,再利用锐角三角函数(正弦=对边比这边/余弦=邻边比斜边/正切=对边比邻边),即可求出角的度数,从而求解直角三角形;③一个锐角和一条边:若此边为这个锐角的对边,可利用正弦三角函数求得斜边,再利用勾股定理/正切三角函数求得邻边;若此边为这个锐角的邻边,可利用余弦三角函数求得斜边,再利用勾股定理/正切三角函数求得对边,从而解决边的问题,另一个锐角通过互余求解解决角的问题,故可达到解直角三角形的目的。

我们总结以上情况,至少需要两个元素,即两条边/一个锐角和一条边,才能达到解直角三角形的目的。换句话说,要解直角三角形,需要两个元素,这两个元素中必须要有边的元素才可以!

清楚了这个问题,学习三角函数的应用才有了知识方面的基础。出示以下应用问题,铺垫教材中的问题:


分析如下:涉及到两个直角三角形,直角三角形ACD和直角三角形BCD,其中公共直角边CD的长度已知,每个直角三角形中CD的对角也已知,要求的是AB的长度,AB=AC-BC,AC和BC的长度都可以通过正切三角函数求出,问题即得解,关键步骤见上图。

问题变式为教材中的问题:

分析如下:这个问题中的,只有一个长度也就是线段AB的长度为50m,但是这个长度既不是直角三角形ACD中边的长度,也不是直角三角形BCD中边的长度,那么就无法直接去利用解直角三角形的方法去求解(解直角三角形必须要有一边的长度),那么怎么解决呢?有了上一题的经验,不难想出,既然没有一条边的长度,我们不防设出一条边CD的长度为xm,那么类比上一题的解题思路,就可以用正切三角函数表示出AC和BC的长度了,再根据等量关系AC-BC=AB,即可建立方程去进行求解,关键步骤见上图。

当然,在这里,一些善于观察的学生也会提出,在这个图形中,可利用条件得出三角形ABD是一个等腰三角形,那么就有BD=AD=50m,那么直角三角形BCD的斜边长度就已知,在直角三角形BCD中,利用sin∠DBC就可以求出塔CD的高度了!这个解答非常巧妙,教师在此时也一定要及时给予肯定和鼓励,但也要指出,这种解法是基于图形角度的特殊之处,如果把角度换成其它角度的话,这种方法就行不通,但是前面的方法则适用于任何角度,更具有一般性。

出示第三个变式问题:

分析如下:这个问题基于问题2进行变式,学生不难得出解答(见上图)。在此时,教师可进一步指出,问题1和2的模型为母子型,问题3为背靠背型。

同时基于以上三个问题,将问题背景升级(增加题意理解的部分),同时检测学生技能的掌握程度:

在这个问题中,首先,需要强调过点C作CD⊥AB于点D,构造直角三角形ACD和直角三角形BCD,属于背靠背模型,由题意可知BD=9米,它直角三角形BCD中完整的一条直角边,利用tan45°可求出CD=9米,进一步在直角三角形ACD中,利用tan37°求出AD的长度,那么可根据AB=AD+BD求得AB的长度。

这个问题增设题意的理解,一个是将小东所在的教学楼距离地面9米高的位置,依据图形及辅助线所得长方形的性质,转化为BD的长度;另一个是题中已知国旗上升时间,求其上升的速度,我们需知道其上升的路程,上升的路程为AB的长度减去升旗前国旗上端悬挂的高度。

对于上图中教材中的引入问题,因其涉及到更复杂的方位角及最短距离题意的理解(货轮在向东航行的途中是否会有触礁的危险,取决于点A到BC的最短距离,垂线段最短,最短距离若小于10海里则危险,若大于10海里则没有危险),我认为可以在上述问题解决之后再进行出示解决,以达到学习由浅入深、循序渐近的目的。

方位角问题变式见上图,这个题在前面的基础上,又增设了一个问题:如何作辅助线?如果单看图形,很多同学会立刻想到过点B向AC作垂线段,由此达到构造直角三角形的目的!但是,这样却需要用到75°角的三角函数值,而题中却并未给出75°角的三角函数值的参考数据,故而这种构造方法是行不通的!故而需换一个角度去作辅助线,AC的长度是一条完整的边的长度,借助AC这条完整的边,将其放进直角三角形中,即可得辅助线的作法,即过点C作CD⊥AB于点D,通过解直角三角形ACD和解直角三角形BCD求得BC的长度解决问题。

基于以上问题,总结三角函数应用题的解题思维路径:

①通读题意,结合图形,在图中找出并标出与题干相吻合的已经条件(另需特别注意题中所给的三角函数的参考值);

②找直角三角形(若不能在图中体现,则需添加合适的辅助线:三角形或梯形作高法,将其结合。作高需注意结合题中角度及边作高,不可盲目添加辅助线,添加的辅助线也不能破坏题中所给的角度,否则只会让解题变得更复杂),将已知条件转化为直角三角形中的边角关系(注意:必须要有一完整的边,若无完整的边可用,需设出完整边);

③列关系式:在直角三角形中,选择适当的锐角三角函数关系式,进行求解(注意:若是设有未知数,根据题意找到等量关系,列方程求解);

④检验:要特别注意所求数据是否是题中要求的结果(是否需进一步计算),同时,还要注意题目中对结果的精确度有无要求。

最后,跟踪拓展练习出示如下:


一般情况下,三角函数的应用题中,都是涉及到两个直角三角形,我们在两个直角三角形中分别应用三角函数进行解题。但有时候也会遇到题中有三个直角三角形的情况,那么,这种情况下,有一个直角三角形就属于要啥有啥类型的,其边或者角均可通过三角函数/勾股定理/互余去求解,那么这个要啥有啥的三角形在解题过程中就起着铺垫的作用,而另外两个直角三角形才是我们在解题中,真正要锁定的两个直角三角形,再去利用我们总结的解题思维路径进行解题。

三角函数的应用题,每年的中考都会出一道解答题,这类题也属于中考必得分的题。它所涉及到的情境背景也是千变万化,小到一件生活用品如一个茶壶一盏台灯的设计,大到航空航海的应用……虽然情境千变万化,但是去情境后的本质,其实归根结底都是解直角三角形的问题。没有直角三角形就去构造直角三角形!直接法还是间接法解题,取决于直角三角形中有没有完整的边可用!相信掌握了这些不变的思路与技巧,善于归类和总结,这类问题一定可以是能够熟能生巧,得心应手,并拿到全分的。

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