安徽省歙縣中學
鄭觀寶 (郵編:245200)
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一道中考壓軸題的實驗探究與推廣
安徽省歙縣中學
鄭觀寶(郵編:245200)
圖1
圖2
圖3
問題(2016年安徽省中考壓軸題):如圖1,A、B分別在射線OM、ON上,且∠MON為鈍角,現(xiàn)以線段OA、OB為斜邊向∠MON的外側(cè)作等腰直角三角形△OAP、△OBQ,點C、D、E分別為邊AO、OB、AB的中點.
(1)求證:△PCE≌△EDQ;
(2)延長PC、DQ交于點R.
①如圖2,若∠MON=150°,求證:△ABR為等邊三角形;
這是2016年安徽省初中畢業(yè)學業(yè)考試數(shù)學試題.限于篇幅,以下僅給出簡略的證明過程.
(1)證明如圖1,易得PC=CO=ED,CE=OD=DQ,∠PCE=90°+∠OCE=90°+∠ODE=∠QDE,所以△PCE≌△EDQ(邊角邊).
觀察圖1,能感覺到PE=EQ,且PE⊥EQ,這個猜想對嗎?
實驗一在《幾何畫板》中畫出圖4,度量∠PEQ的大小、線段PE、EQ的長度(如圖4).
容易發(fā)現(xiàn)無論怎樣改變鈍角∠AOB的大小和OA、OB的長度,始終有PE=EQ,且∠PEQ=90°.
圖4
證明延長PC到點K,設(shè)∠AOB=α,由△PCE≌△EDQ得PE=EQ顯然成立,并且
∠PEQ=α-(∠1+∠2)=α-∠ECK=α-(α-90°)=90°.
可見,△PEQ始終是以PQ為斜邊的等腰直角三角形.
圖5
由題可知,點R是△AOB兩邊OA、OB的中垂線的交點,因此點R為△AOB的外心,作出這個外接圓(如圖5).
由圓的性質(zhì)可得∠ARB=2(180°-α).
①要使等腰△ABR為正三角形,當且僅當∠ARB=2(180°-α)=60°,解得α=150°.
點評:有了上述探究與發(fā)現(xiàn),第二小題就水到渠成,非常簡單了!并且我們還得到如下一般性結(jié)論:如圖2,分別以鈍角△AOB(∠AOB為鈍角)邊OA、OB為斜邊,向形外作等腰直角三角形△OAP、△OBQ,點C、D、E分別為邊AO、OB、AB的中點,延長PC、DQ交于點R,則
(1)求證:△PCE≌△EDQ;
(2)△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形;
(3)當且僅當∠MON=150°時,△ABR為等邊三角形;
圖6
實驗二如圖6,在《幾何畫板》作出滿足題意的圖形.不斷改變鈍角∠AOB的大小和線段OA、OB的長度,都能發(fā)現(xiàn)上述結(jié)論成立.下面證明這個發(fā)現(xiàn):
(1)在△PCE與△EDQ中,易得PC=CO=ED,CE=OD=DQ,∠PCE=90°+∠OCE=90°+∠ODE=∠QDE,所以△PCE≌△EDQ(邊角邊).
(2)延長PC到點K,設(shè)∠AOB=α,由(1)得PE=EQ,且
∠PEQ=360°-α-(∠1+∠2)=360°-α-∠KCE=360°-α-(90°+180°-α)=90°.即△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形.
(3)同上可知,點R為△AOB的外心,作出這個外接圓(如圖6).由圓的性質(zhì)可得∠ARB=2(180°-α).
要使等腰△ABR為正三角形,當且僅當∠ARB=2(180°-α)=60°,解得α=150°.
圖7
圖8
實驗三如圖7、8,在《幾何畫板》作出滿足題意的圖形.不斷改變銳角∠AOB的大小和線段OA、OB的長度,容易發(fā)現(xiàn)△PEQ始終為等腰直角三角形,下面證明這個發(fā)現(xiàn)(限于篇幅,證明過程以圖8為例):
(1)如圖8,在△PCE與△EDQ中,PC=CO=ED,CE=OD=DQ,∠PCE=90°+∠OCE=90°+∠ODE=∠QDE,所以△PCE≌△EDQ.
(2)延長CP交DE于到點K,設(shè)∠AOB=α,由(1)得PE=EQ,且
∠PEQ=∠DEQ-∠PEK=∠CPE-∠PEK=∠PKE=90°,即△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形.
(3)由于點R為△AOB的外心,作出這個外接圓.由于∠AOB為銳角,由圓的性質(zhì)可得∠ARB=2α.
要使等腰△ABR為正三角形,當且僅當∠ARB=2α=60°,解得α=30°.
說明如果兩個等腰直角三角形一個向形外作,一個向形內(nèi)方向作,則沒有相應(yīng)的結(jié)論(實驗過程這里略去).
圖9
實驗四如圖9,在《幾何畫板》中,以O(shè)A、OB(不是一般性,令OA≠OB)為底邊向形外作兩個相似等腰三角形.不斷改變鈍角∠AOB的大小和線段OA、OB的長度,容易發(fā)現(xiàn):∠PEQ不一定為直角,且EP、EQ不一定相等.
(1)探究△PCE≌△EDQ的充要條件.
由于∠PCE=∠EDQ,所以要使△PCE≌△EDQ,必須PC=ED,CE=DQ?PC=CO,DQ=OD,則△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形,即△PCE≌△EDQ,當且僅當△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形.
(2)探究△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形的條件.
設(shè)∠PCE=∠EDQ=θ,DQ=a,DO=b,則PC=xa,CO=ED=xb,由余弦定理可得
PE2=x2a2+b2-2xabcosθ,PF2=a2+x2b2-2xabcosθ,兩式相減得(x2-1)(a2-b2)=0.
由于x≠1,于是得a=b,即△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形(余略).
綜上所述,△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形的條件是△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形.
(3)探究△ABR為等邊三角形的條件.
當且僅當∠MON=150°時,△ABR為等邊三角形(理由同前);
(4)探究△ARB∽△PEQ的條件.
由于RA=RB,所以EP=EQ,由(2)可得△ARB∽△PEQ的充要條件為△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形,且∠MON=135°.
圖10
1、實驗五——設(shè)∠AOB為鈍角,將“向形外作相似等腰三角形” 推廣為“向形內(nèi)方向作相似等腰三角形”.
如圖10,在《幾何畫板》中,以O(shè)A、OB(不妨令OA≠OB)為底邊向形內(nèi)方向作兩個相似等腰三角形.不斷改變鈍角∠AOB的大小和線段OA、OB的長度,容易發(fā)現(xiàn):∠PEQ不一定為直角,且EP、EQ不一定相等.同上易證:
(1)△PCE≌△EDQ的充要條件是:△OAP、△OBQ都為等腰直角三角形;
(2)△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形的條件是△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形;
(3)△ABR為等邊三角形的充要條件是∠MON=150°;
(4)△ARB∽△PEQ充要條件為△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形且∠MON=135°.
圖11
2、實驗六——將“鈍角三角形” 推廣為“銳角三角形”,向形外作相似的等腰三角形
如圖11,在《幾何畫板》中,作銳角△AOB,以O(shè)A、OB(不妨令OA≠OB)為底邊向形外作兩個相似等腰三角形.不斷改變銳角∠AOB的大小和線段OA、OB的長度,容易發(fā)現(xiàn):∠PEQ不一定為直角,且EP、EQ不一定相等.同上易證:
(1)△PCE≌△EDQ的充要條件是:△OAP、△OBQ都為等腰直角三角形;
(2)△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形的條件是△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形;
(3)△ABR為等邊三角形的充要條件是∠MON=30°;
(4)△ARB∽△PEQ充要條件為△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形且∠MON=45°.
3、實驗七——將“鈍角三角形” 推廣為“銳角三角形”,向形內(nèi)方向作相似的等腰三角形.
圖12
如圖12,在《幾何畫板》中,作銳角△AOB,以O(shè)A、OB(不妨令OA≠OB)為底邊向形內(nèi)方向作兩個相似等腰三角形.不斷改變銳角∠AOB的大小和線段OA、OB的長度,容易發(fā)現(xiàn):∠PEQ不一定為直角,且EP、EQ不一定相等.同上易證:
(1)△PCE≌△EDQ的充要條件是:△OAP、△OBQ都為等腰直角三角形;
(2)△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形的條件是△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形;
(3)△ABR為等邊三角形的充要條件是∠MON=30°;
(4)△ARB∽△PEQ充要條件為△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形且∠MON=45°.
綜上所述,我們得到下列一般性結(jié)論:
結(jié)論以△AOB的邊OA、OB為底邊向形外(或形內(nèi)方向方向)作兩個相似等腰三角形△OBP、△OAQ,點C、D、E分別為邊AO、OB、AB的中點,延長PC、DQ交于點R.則:
(1)△PCE≌△EDQ的充要條件是:△OAP、△OBQ都為等腰直角三角形;
(2)△PEQ是以PQ為斜邊的等腰直角三角形的條件是△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形;
(3)當∠AOB為鈍角時,則△ABR為等邊三角形的充要條件是∠MON=150°;當∠AOB為銳角時,則△ABR為等邊三角形的充要條件是∠MON=30°;
(4)當∠AOB為鈍角時,△ARB∽△PEQ充要條件為△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形且∠MON=135°.當∠AOB為銳角時,△ARB∽△PEQ充要條件為△OAP、△OBQ都是等腰直角三角形且∠MON=45°.
可見,這道2016安徽中招考試試題僅僅是上述結(jié)論的一種非常特殊的情況.
本文系安徽省科學規(guī)劃重點課題(編號:JG12316)研究成果.
2016-08-11)