理解圖形間的邏輯——新定義“位移點”

理解圖形間的邏輯——新定義“位移點”

2022版新課標(biāo)對于圖形的變化學(xué)業(yè)要求如下：

理解軸對稱、旋轉(zhuǎn)、平移這三類基本的圖形運動，知道三類運動的基本特征，會用圖形的運動認(rèn)識、理解和表達(dá)現(xiàn)實世界中相應(yīng)的現(xiàn)象；理解幾何圖形的對稱性，感悟現(xiàn)實世界中的對稱美，知道可以用數(shù)學(xué)的語言表達(dá)對稱。在這樣的過程中，發(fā)展幾何直觀和空間觀念.

在幾何圖形運動過程中，往往不會出現(xiàn)孤立的運動，各幾何元素間存在相互關(guān)聯(lián)，而這種關(guān)聯(lián)背后的邏輯，則是理解新定義的關(guān)鍵因素，下面以2025年海淀區(qū)一模第28題為例.

題目

解析：

01

(1)先來理解新定義“位移點”，三個幾何元素：點P、點Q和圖形M，背景是平面直角坐標(biāo)系xOy，不妨在草稿紙上作圖理解，如下圖：

我們以△ABC為圖形M，則OQ相當(dāng)于指示平移的方向和距離，按指示平移到△A'B'C'，且點P在△A'B'C'上；

①再來看問題，我們將這幾個點分別標(biāo)在圖中，如下圖：

按要求，線段OA指示平移方向和距離，則圓O平移到圓A位置，即圖中虛線圓，顯然答案是P1和P3；

②從定義中理解點C的作用是指示平移方向和距離，而點C在線段AB上，因此距離存在最大值和最小值，當(dāng)點C位于端點A或B時，OC最大，當(dāng)點C位于線段AB中點時，根據(jù)三線合一，此時OC為點O到線段AB的距離，故OC最短，如下圖：

因為點P在圓C上，則OP最短時，點P在線段OC與圓C交點，此時OP=OC-1，而OP最長時，點P在線段OC的延長線與圓C交點，此時OP=OC+1，在等腰Rt△BOC中，OA=OB=2，則AB=2√2，所以O(shè)C最短為√2，最長為2，所以√2-1≤OP≤3；

多說一點，不妨將圓A的運動軌跡描出來，幫助學(xué)生理解OP最大值和最小值是如何得到的，如下圖：

進(jìn)一步簡化為下圖：

我們得到一個類似操場形狀的范圍，其中AB分別向左下或右上平移1個單位后，得到線段A'B'和A"B"，兩頭分別是半圓A和半圓B，半徑為1，這便是所有可能的點P集合，再去理解OP的最值，對后面解題有幫助；

02

(2)本題難點在于圖形眾多，關(guān)聯(lián)也較多，理清它們之間的邏輯極為重要，我們分步作圖，首先來看點P可能在哪里，不妨讓點T在原點，作半徑為1的圓T，然后取圓T上一點E，連接OE，則線段OE指示了平移的方向和距離，如下圖：

我們觀察線段AB的端點A，按線段OE指示的方向和距離平移至點A'，連接后得平行四邊形OAA'E，得AA'=1，由于點A是定點，則點A'到點A的距離始終為1，由圓的概念可知，點A'在以A為圓心，半徑為1的圓上，同理點B'也在以點B為圓心，半徑為1的圓上，推導(dǎo)出線段AB上所有的點平移后都在一個類似“操場”的范圍內(nèi)；

由這個判斷我們還可以得到一個經(jīng)驗，平移只改變點A的位置；因此平移后的點A'與點E具有相同的“運動狀態(tài)”；

在這個“操場”上，兩端是兩個半圓，圓心分別是點A和點B，兩條線段距離點T最遠(yuǎn)和最近的時候，即OE⊥AB時，如下圖：

接下來我們再來看圓心T的坐標(biāo)(t,0)，意味著圓T的圓心在x軸上，當(dāng)圓平移時，圓上的點E隨之平移，前圖中的“操場”會如何運動？

為研究“操場”如何運動，我們?nèi)匀徊捎锰厥馕恢梅ǎ懦蓴_，關(guān)注重點，如下圖：

在圖中，我們將點E放在x軸上，這樣平移后的點A'也在x軸上，可知OE=AA'=t-1，又點E在圓T上，則ET=1，則點A'所在圓的圓心G到點A'距離為1，即A'G=1，可得AG=AA'+A'G=t，發(fā)現(xiàn)AG=OT，OA=TG；

由以上推導(dǎo)結(jié)果，我們可以判斷當(dāng)圓T在x軸上運動時，整個“操場”也沿x軸方向隨之平移，點A向右平移t個單位后得到點G，同理點B也向右平移t個單位后得到點F，如下圖：

在圖中，“操場”及其內(nèi)部的點，均為點P可能的位置，接下來我們再來看題目條件中對點D的描述，如下圖：

點D在圓S上，△ODP為等腰直角三角形，當(dāng)然這只是其中一種情況，在OD另一側(cè)還有一個點P，稍后再說；

連接OS，以O(shè)S為邊在右側(cè)構(gòu)造等腰Rt△OQS，如下圖：

我們很容易得到一對相似三角形，△ODS∽△OPQ，由DS=√2可得PQ=1，再來看點Q，是否定點？不妨過點Q構(gòu)造“一線三直角”模型，如下圖：

易證△OQU≌△QSR，設(shè)Q(x,y)，則OU=RQ=x，QU=SR=y，顯然有OU=2+SR，得x=2+y，而RQ+QU=6，得x+y=6，解得x=4，y=2，即Q(4,2)，它是定點，因此我們得到點P在以Q為圓心，半徑為1的圓上，如下圖：

還記得前面的我們得到的“操場”嗎？結(jié)合點P也在圓Q上，只要“操場”和圓Q有公共點即可；

想像一下，隨著t的變化，圓T的位置隨之改變，“操場”的位置也隨之改變，我們只需要觀察它與圓Q何時有公共點即可，從特殊位置出發(fā)，如下圖：

我們可通過上圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)“操場”上半部的圓F與圓Q相切時，為一種臨界狀態(tài)，由前面的分析可知點F是由點B向右平移t個單位得到，圓F的半徑和圓Q半徑均為1，因此可求出F(6,2)，此時t=6；

還記得前面我們的“操場”形成過程中的探究嗎？如下圖：

上圖中，我們的點T在原點，但并不妨礙我們過點T作TR⊥HK，垂足為R，再延長RK交x軸于點U，得等腰Rt△TRU，可通過計算得到TR=TW+WR，其中TW=√2，而WR即平移距離，WR=OE=1，所以TR=√2+1，于是OU=√2TR=2+√2，因此對于任意點T而言，我們可知“操場”上距離點T最遠(yuǎn)的邊HK，其距離為√2+1，這就足夠了；

而對于點T的一般情況，如下圖：

前面得到的等腰Rt△TRU依然存在，因此得點U(t+2+√2,0)，現(xiàn)在可得到直線HK的解析式為y=-x+t+2+√2；

當(dāng)圓Q與直線HK相切時，不妨令切點為V，再連接VQ，過點Q作x軸的垂線，取點Q'，構(gòu)造等腰Rt△VQQ'，可求出V(4-√2/2，2-√2/2)，如下圖：

將點V坐標(biāo)代入到直線HK中，可求出t=4-2√2；

現(xiàn)在我們得到了t的一個范圍，4-2√2≤t≤6，那回到前面“稍后再說”的部分，對于等腰Rt△ODP，點P只能在OD右側(cè)嗎？左側(cè)應(yīng)該還有一個點P，如下圖：

此時的點Q'與點Q關(guān)于OS軸對稱，因此易求點Q'(-2,4)，而點P'在圓Q'上，“操場”的上半部分與之相切時，t=-2；

綜上所述，t=-2，4-2√2≤t≤6.

解題思考

這道題的復(fù)雜程度較高，涉及到直線與圓的位置關(guān)系、兩圓位置關(guān)系等，綜合性很強(qiáng)，一般情況下，學(xué)生需要理解“位移點”的概念描述，并且明確各幾何元素間的關(guān)聯(lián)，更重要的是，它們之間的邏輯.

本題基本上都是直接答出的形式，因此對思維要求很高，不再用解題格式進(jìn)行要求，則學(xué)生可自由發(fā)揮的空間極大，更能體現(xiàn)出學(xué)生數(shù)學(xué)思維間的差異，優(yōu)秀的學(xué)生和普通的學(xué)生在答題時間上可能相差很遠(yuǎn)，更不用提解答正確率.

所以由解這道題衍生出另外一個問題，我們?nèi)绾巫寣W(xué)生具備優(yōu)秀的數(shù)學(xué)思維？

這個問題很大，不是片言只語可以說清楚，僅就此題所涉及到的范圍來講，我們需要學(xué)生能夠迅速在腦子里構(gòu)圖，而在腦子里構(gòu)圖的前提，是在紙上構(gòu)圖，平時課堂上，學(xué)生手中并無幾何畫板、GGB這等工具，因此手中的繪圖用具很關(guān)鍵，學(xué)會使用繪圖用具，其實也是在訓(xùn)練構(gòu)圖能力，能將現(xiàn)實的圖形變成腦子里的圖形，離不開平時的“做一做”、“畫一畫”、“說一說”等課堂活動，教師如何組織這些活動，是課堂上培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵.

再由近期熱門的高考數(shù)學(xué)話題說起，我非常贊同任正非的一句話，軟件其實是卡不住脖子的，軟件的精髓是數(shù)學(xué)，是符號、代碼、算法，根子是數(shù)學(xué)層面的東西，而數(shù)學(xué)，需要一個(群)好腦子，現(xiàn)在再來看高考數(shù)學(xué)，是不是理解又不一樣了？

本題作為模擬中考壓軸題，充分體現(xiàn)以上思想，也給我們平時的教學(xué)提供了正確導(dǎo)向，落實學(xué)生數(shù)學(xué)能力的培養(yǎng)，或者說核心素養(yǎng)的提升，將課標(biāo)“三會”內(nèi)涵貫徹于每一節(jié)數(shù)學(xué)課，是每一位數(shù)學(xué)教師應(yīng)該做到的事情.