(本小题满分 14 分) 一种作图工具如图1所示. 是滑槽…——2015 高考数学第 21 题答案解析

2015_省自主命题(湖北)

2015 湖北 第 21 题 解答题 区分题
2015_省自主命题(湖北)

21.(本小题满分 14 分)

一种作图工具如图1所示. 是滑槽 的中点,短杆 可绕 转动,长杆 通过 处铰链与O AB ON O MN N ON连接, 上的栓子 可沿滑槽 AB滑动,且MN D $D N = O N = 1 ~ , ~ M N = 3$.当栓子 在滑槽 AB内作往复运D动时,带动 绕 转动一周( 不动时, 也不动), 处的笔尖画出的曲线记为.以 为原点,N O D N M C O所在的直线为 轴建立如图 2所示的平面直角坐标系AB x

(Ⅰ)求曲线 C的方程;

(Ⅱ)设动直线 与两定直线l $l _ { 1 } : x - 2 y = 0$ 和 $l _ { 2 } : x + 2 y = 0$ 分别交于 两点.若直线P Q, $l _ { \textrm { \tiny * } }$ 总与曲线 有且C只有一个公共点,试探究: $\Delta O Q P$ 的面积是否存在最小值?若存在,求出该最小值;若不存在,说明理由


第21题图1
第 21题图2

参考答案

(Ⅰ) $\frac { x ^ { 2 } } { 1 6 } + \frac { y ^ { 2 } } { 4 } = 1$;(Ⅱ)存在最小值8

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【答案】(Ⅰ) $\frac { x ^ { 2 } } { 1 6 } + \frac { y ^ { 2 } } { 4 } = 1$;(Ⅱ)存在最小值8.

【解析】(I)设点 $D ( t , 0 ) \parallel t \mid \leq 2 )$ $N ( x _ { 0 } , y _ { 0 } ) , M ( x , y )$,依题意,


第 21 题解答图

$\overline { { M D } } = 2 \overline { { D N } }$,且 $\mid \overline { { D N } } \mid = \mid \overline { { O N } } \mid = 1$

所以 $( t - x , - y ) = 2 ( x _ { \circ } - t , y _ { \circ } )$,且 $\left\{ { \begin{array} { l } { ( x _ { 0 } - t ) ^ { 2 } + y _ { 0 } ^ { 2 } = 1 , } \\ { x _ { 0 } ^ { 2 } + y _ { 0 } ^ { 2 } = 1 . } \end{array} } \right.$

即 $\left\{ \begin{array} { l l } { t - x = 2 x _ { \circ } - 2 t , } \\ { y = - 2 y _ { \circ } . } \end{array} \right.$ 且 $t ( t - 2 x _ { \circ } ) = 0$

由于当点D不动时,点N也不动,所以t不恒等于0,

于是 $t = 2 x _ { \circ }$,故 $x _ { \circ } = \frac { x } { 4 } , y _ { \circ } = - \frac { y } { 2 }$ $x _ { 0 } ^ { 2 } + y _ { 0 } ^ { 2 } = 1$,可得 $\frac { x ^ { 2 } } { 1 6 } + \frac { y ^ { 2 } } { 4 } = 1$

即所求的曲线C的方程为 $\frac { x ^ { 2 } } { 1 6 } + \frac { y ^ { 2 } } { 4 } = 1$

(Ⅱ)①当直线l的斜率不存在时,直线l为x=4或x=4,都有 $S _ { _ { \Delta \mathcal O , \bar { r } \mathcal O } } = \frac 1 2 \times 4 \times 4 = 8$

> ②当直线 $l$的斜率存在时,设直线 $l : y = k x + m ( k \neq \pm \frac { 1 } { 2 } )$,

由 $\left\{ \begin{array} { l l } { y = \displaystyle { k x + m _ { \ast } } } \\ { x ^ { 2 } + 4 y ^ { 2 } = 1 6 , } \end{array} \right.$ 消去y,可得 $( 1 + 4 k ^ { 2 } ) x ^ { 2 } + 8 k O n x + 4 m ^ { 2 } - 1 6 = 0$

因为直线1总与椭圆C有且只有一个公共点,

所以 $\Delta = 6 4 \lambda ^ { 2 } m ^ { 2 } - 4 ( 1 + 4 \lambda ^ { 2 } ) ( 4 m ^ { 2 } - 1 6 ) = 0$,即 $m ^ { 2 } = 1 6 k ^ { 2 } + 4$

又由 $\scriptstyle { \left\{ { y = k x + m , } \atop { x - 2 y = 0 , } \right.} $ 可得 $P ( \frac { 2 m } { 1 - 2 k } , \frac { m } { 1 - 2 k } )$;同理可得 $\mathcal { Q } ( \frac { - 2 m } { 1 + 2 k } , \frac { m } { 1 + 2 k } )$

由原点O到直线PQ的距离为 $d = \frac { \vert m \vert } { \sqrt { 1 + k ^ { 2 } } }$ 和 $P Q \left| = \sqrt { 1 + k ^ { 2 } } \ \right| \ x _ { p } - x _ { Q } \ \vert$,可得

$$ S _ { \Delta \sigma r \bar { z } } = \frac { 1 } { 2 } | P Q | \cdot d = \frac { 1 } { 2 } | m | \vert x _ { r } - x _ { \bar { z } } | = \frac { 1 } { 2 } \cdot | m | | \frac { 2 m } { 1 - 2 \bar { k } } + \frac { 2 m } { 1 + 2 \bar { k } } | = | \frac { 2 m ^ { 2 } } { 1 - 4 \bar { k } ^ { 2 } } | . $$

将①代入②得, $S _ { \Delta \sigma r \bar { Q } } = \left| \frac { 2 m ^ { 2 } } { 1 - 4 k ^ { 2 } } \right| = 8 \frac { \left| 4 k ^ { 2 } + 1 \right| } { \left| 4 k ^ { 2 } - 1 \right| }$

当 $\bar { \kappa } ^ { 2 } > \frac { 1 } { 4 }$ 时, $S _ { \Delta O P Q } = 8 ( \frac { 4 \bar { k } ^ { 2 } + 1 } { 4 \bar { k } ^ { 2 } - 1 } ) = 8 ( 1 + \frac { 2 } { 4 \bar { k } ^ { 2 } - 1 } ) > 8$

当 $0 \leq k ^ { 2 } < \frac { 1 } { 4 }$ 时, $S _ { \Delta O P Q } = 8 ( \frac { 4 k ^ { 2 } + 1 } { 1 - 4 k ^ { 2 } } ) = 8 ( - 1 + \frac { 2 } { 1 - 4 k ^ { 2 } } )$

因 $0 \leq k ^ { 2 } < \frac { 1 } { 4 }$ $0 < 1 - 4 k ^ { 2 } \le 1$ ${ \frac { 2 } { 1 - 4 k ^ { 2 } } } \geq 2$,所以 $S _ { \Delta \sigma \bar { r } \bar { \Omega } } = 8 ( - 1 + \frac { 2 } { 1 - 4 \bar { k } ^ { 2 } } ) \geq 8$

当且仅当k=0时取等号.

所以当k=0时, $S _ { \varpi , \mp \mathbb { Q } }$ 的最小值为8.

综合①②可知,当直线l与椭圆C在四个顶点处相切时, $\Delta O P Q$ 的面积取得最小值8.

考点:椭圆的标准方程、几何性质,直线与圆、椭圆的位置关系,最值.

【名师点睛】本题以滑槽,长短杆为背景,乍一看与我们往年考的很不一样,但是只要学生仔细读题均能找到椭圆的a,b,c.那么第一问就迎刃而解了,第二问仍然为圆锥曲线的综合问题。

直线与圆锥曲线位置关系的判断、有关圆锥曲线弦的问题等能很好地渗透对函数方程思想和数形结合思想的考查,一直是高考考查的重点,特别是焦点弦和中点弦等问题,涉及中点公式、根与系数的关系以及设而不求、整体代入的技巧和方法,也是考查数学思想方法的热点题型.解题过程中要注意讨论直线斜率的存在情况,计算要准确

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关键能力
圆锥曲线
难度
区分题
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先把常见基础得分点练稳,再回来处理综合题。

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