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- 2021-06-11 发布
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第8讲 正弦定理和余弦定理的应用举例
[学生用书P85]
1.仰角和俯角
在视线和水平线所成的角中,视线在水平线上方的角叫仰角,在水平线下方的角叫俯角(如图①).
2.方位角
从正北方向顺时针转到目标方向线的角(如图②,B点的方位角为α).
3.方向角
相对于某一正方向的角(如图③).
(1)北偏东α:指从正北方向顺时针旋转α到达目标方向.
(2)东北方向:指北偏东45°.
(3)其他方向角类似.
1.辨明两个易误点
(1)易混淆方位角与方向角概念:方位角是指正北方向与目标方向线(按顺时针)之间的夹角,而方向角是正北或正南方向线与目标方向线所成的锐角.
(2)解三角形时,为避免误差的积累,应尽可能用已知的数据(原始数据),少用间接求出的量.
2.解三角形应用题的一般步骤
1.从A处望B处的仰角为α,从B处望A处的俯角为β,则α,β的关系为( )
A.α>β B.α=β
C.α+β=90° D.α+β=180°
B [解析] 根据题意和仰角、俯角的概念画出草图,如图.知α=β,故应选B.
2.若点A在点C的北偏东30°,点B在点C的南偏东60°,且AC=BC,则点A在点B的( )
A.北偏东15° B.北偏西15°
C.北偏东10° D.北偏西10°
B [解析] 如图所示,∠ACB=90°,
又AC=BC,所以∠CBA=45°,
而β=30°,所以α=90°-45°-30°=15°.
所以点A在点B的北偏西15°.
3.如图,设A,B两点在河的两岸,一测量者在A的同侧,选定一点C,测出AC的距离为50 m,∠ACB=45°,∠CAB=105°,则A,B两点间的距离为________.
[解析] 由正弦定理得
AB===50 m.
[答案] 50 m
测量距离[学生用书P86]
[典例引领]
如图,隔河看两目标A与B,但不能到达,在岸边先选取相距千米的C,D两点,同时,测得∠ACB=75°,∠BCD=45°,∠ADC=30°,∠ADB=45°(A,B,C,D在同一平面内),求两目标A,B之间的距离.
【解】 在△ACD中,
∠ACD=120°,∠CAD=∠ADC=30°,
所以AC=CD= km.
在△BCD中,∠BCD=45°,∠BDC=75°,∠CBD=60°.
所以BC==.
在△ABC中,由余弦定理,得AB2=()2+-2×××cos 75°
=3+2+-=5,所以AB= km,
所以A,B之间的距离为 km.
距离问题的类型及解法
(1)测量距离问题分为三种类型:两点间不可达又不可视、两点间可视但不可达、两点都不可达.
(2)选择合适的辅助测量点,构造三角形,将问题转化为求某个三角形的边长问题,从而利用正、余弦定理求解.
如图所示,要测量一水塘两侧A,B两点间的距离,其方法为:先选定适当的位置C,用经纬仪测出角α,再分别测出AC,BC的长b,a,则可求出A,B两点间的距离,即AB=.若测得CA=400 m,CB=600 m,∠ACB=60°,试计算AB的长.
[解] 由题可得,在△ABC中,
AB2=AC2+BC2-2AC·BCcos ∠ACB,
所以AB2=4002+6002-2×400×600cos 60°=280 000.
所以AB=200 m.
即A,B两点间的距离为200 m.
测量高度[学生用书P87]
[典例引领]
(2015·高考湖北卷)如图,一辆汽车在一条水平的公路上向正西行驶,到A处时测得公路北侧一山顶D在西偏北30°的方向上,行驶600 m后到达B处,测得此山顶在西偏北75°的方向上,仰角为30°,则此山的高度CD=________m.
【解析】 由题意,在△ABC中,∠BAC=30°,∠ABC=180°-75°=105°,故∠ACB=45°.
又AB=600 m,故由正弦定理得=,
解得BC=300 m.
在Rt△BCD中,CD=BC·tan 30°=300×=100(m).
【答案】 100
求解高度问题的注意事项
(1)在测量高度时,要理解仰角、俯角的概念,仰角和俯角都是在同一铅垂面内,视线与水平线的夹角;
(2)准确理解题意,分清已知条件与所求,画出示意图;
(3)运用正、余弦定理,有序地解相关的三角形,逐步求解问题的答案,注意方程思想的运用.
(2017·湖北省七市(州)协作体联考)如图,为了估测某塔的高度,在同一水平面的A,B两点处进行测量,在点A处测得塔顶C在西偏北20°的方向上,仰角为60°;在点B处测得塔顶C在东偏北40°的方向上,仰角为30°.若A,B两点相距130 m,则塔的高度CD=________m.
[解析] 由题意可知,设CD=h,则AD=,BD=h,在△ADB中,∠ADB=180°-20°-40°=120°,所以由余弦
定理AB2=BD2+AD2-2BD·AD·cos 120°,可得1302=3h2+-2·h··,解得h=10,故塔的高度为10 m.
[答案] 10
测量角度[学生用书P87]
[典例引领]
如图,在海岸A处,发现北偏东45°方向距A为(-1)海里的B处有一艘走私船,在A处北偏西75°方向,距A为2海里的C处的缉私船奉命以10海里/时的速度追截走私船.此时走私船正以10海里/时的速度从B处向北偏东30°方向逃窜,问缉私船沿什么方向能最快追上走私船?并求出所需要的时间.(注:≈2.449)
【解】 设缉私船应沿CD方向行驶t小时,才能最快截获(在D点)走私船,则有CD=10t(海里),BD=10t(海里).
在△ABC中,因为AB=(-1)海里,AC=2海里,∠BAC=45°+75°=120°,
根据余弦定理,可得
BC=
=(海里).
根据正弦定理,可得
sin∠ABC===.
所以∠ABC=45°,易知CB方向与正北方向垂直,
从而∠CBD=90°+30°=120°.
在△BCD中,根据正弦定理,可得
sin∠BCD===,
所以∠BCD=30°,∠BDC=30°,
所以BD=BC=(海里),
则有10t=,t=≈0.245小时=14.7分钟.
故缉私船沿北偏东60°方向,需14.7分钟才能追上走私船.
解决测量角度问题的注意事项
(1)首先应明确方位角或方向角的含义.
(2)分析题意,分清已知与所求,再根据题意画出正确的示意图,这是最关键、最重要的一步.
(3)将实际问题转化为可用数学方法解决的问题后,注意正、余弦定理的“联袂”使用.
在一次海上联合作战演习中,红方一艘侦察艇发现在北偏东45°方向,相距12 n mile的水面上,有蓝方一艘小艇正以每小时10 n mile的速度沿南偏东75°方向前进,若红方侦察艇以每小时14 n mile的速度,沿北偏东45°+α方向拦截蓝方的小艇,若要在最短的时间内拦截住,求红方侦察艇所需的时间和角α的正弦值.
[解] 如图,设红方侦察艇经过x小时后在C处追上蓝方的小艇,
则AC=14x,BC=10x,∠ABC=120°.
根据余弦定理得(14x)2=122+(10x)2-240xcos 120°,
解得x=2.故AC=28,BC=20.
根据正弦定理得=,
解得sin α==.
所以红方侦察艇所需要的时间为2小时,角α的正弦值为.
[学生用书P88]
——解三角形与其他知识的交汇
△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c.
(1)若a,b,c成等差数列,证明:sin A+sin C=2sin(A+C);
(2)若a,b,c成等比数列,求cos B的最小值.
【解】 (1)证明:因为a,b,c成等差数列,所以a+c=2b.
由正弦定理得sin A+sin C=2sin B.
因为sin B=sin[π-(A+C)]=sin(A+C),
所以sin A+sin C=2sin(A+C).
(2)因为a,b,c成等比数列,所以b2=ac.
由余弦定理得
cos B==≥=,
当且仅当a=c时等号成立.
所以cos B的最小值为.
本题是解三角形问题和数列的交汇,其解题思路是由数列问题转化为边角的等式关系,再利用正、余弦定理即可求解.本题体现了高考试题的设计理念和意图,
在命题上追求知识间的交汇,有时也与不等式、直线、圆等知识交汇命题,注重考查知识应用能力.
在△ABC中,设a,b,c分别是角A,B,C所对的边,且直线bx+ycos A+cos B=0与ax+ycos B+cos A=0平行,则△ABC一定是( )
A.锐角三角形 B.等腰三角形
C.直角三角形 D.等腰或直角三角形
C [解析] 法一:由两直线平行可知bcos B-acos A=0,由正弦定理可知sin Bcos B-sin Acos A=0,即sin 2B-sin 2A=0,故2A=2B或2A+2B=π,即A=B或A+B=.
若A=B,则a=b,cos A=cos B,两直线重合,不符合题意,故A+B=,即△ABC是直角三角形.
法二:由两直线平行可知bcos B-acos A=0,
由余弦定理,得a·=b·,
所以a2(b2+c2-a2)=b2(a2+c2-b2),
所以c2(a2-b2)=(a2+b2)(a2-b2),
所以(a2-b2)(a2+b2-c2)=0,所以a=b或a2+b2=c2.
若a=b,则两直线重合,不符合题意,
故a2+b2=c2,即△ABC是直角三角形.
[学生用书P345(独立成册)]
1.两座灯塔A和B与海岸观察站C的距离相等,灯塔A在观察站南偏西40°,灯塔B在观察站南偏东60°,则灯塔A在灯塔B的( )
A.北偏东10° B.北偏西10°
C.南偏东80° D.南偏西80°
D [解析] 由条件及题图可知,∠A=∠B=40°,又∠BCD=60°,所以∠CBD=30°,所以∠DBA=10°,因此灯塔A在灯塔B南偏西80°.
2.
如图,在塔底D的正西方A处测得塔顶的仰角为45°,在它的南偏东60°的B处测得塔顶的仰角为30°,AB的距离是84 m,则塔高CD为( )
A.24 m B.12 m
C.12 m D.36 m
C [解析] 设塔高CD=x m,
则AD=x m,DB=x m.
在△ABD中,利用余弦定理,得842=x2+(x)2-2·x2cos 150°,解得x=±12(负值舍去),故塔高为12 m.
3.一船自西向东匀速航行,上午10时到达一座灯塔P的南偏西75°,距灯塔68海里的M处,下午2时到达这座灯塔的东南方向N处,则该船航行的速度为( )
A.海里/小时 B.34海里/小时
C.海里/小时 D.34海里/小时
C [解析] 如图所示,在△PMN中,PM=68,∠PNM=45°,∠PMN=15°,
∠MPN=120°,
由正弦定理,得=,所以MN=34,
所以该船的航行速度为海里/小时.
4.如图,一条河的两岸平行,河的宽度d=0.6 km,一艘客船从码头A出发匀速驶往河对岸的码头B.已知AB=1 km,水的流速为2 km/h,若客船从码头A驶到码头B所用的最短时间为6 min,则客船在静水中的速度为( )
A.8 km/h B.6 km/h
C.2 km/h D.10 km/h
B [解析] 设AB与河岸线所成的角为θ,客船在静水中的速度为v km/h,由题意知,
sin θ==,从而cos θ=,所以由余弦定理得=+12-2××2×1×,解得v=6.
5.如图,两座相距60 m的建筑物AB,CD的高度分别为20 m、50 m,BD为水平面,则从建筑物AB的顶端A看建筑物CD的张角为( )
A.30° B.45°
C.60° D.75°
B [解析] 依题意可得AD=20(m),AC=30(m),又CD=50(m),
所以在△ACD中,由余弦定理得
cos∠CAD=
=
==,
又0°<∠CAD<180°,所以∠CAD=45°,所以从顶端A看建筑物CD的张角为45°.
6.(2017·武汉市武昌区调研)据气象部门预报,在距离某码头正西方向400 km处的热带风暴中心正以20 km/h的速度向东北方向移动,距风暴中心300 km以内的地区为危险区,则该码头处于危险区内的时间为( )
A.9 h B.10 h
C.11 h D.12 h
B [解析] 记码头为点O,热带风暴中心的位置为点A,t小时后热带风暴到达B点位置,在△OAB中,OA=400,AB=20t,∠OAB=45°,根据余弦定理得4002+400t2-2×20t×400×≤3002,即t2-20t+175≤0,解得10-5≤t≤10+5,所以所求时间为10+5-10+5=10(h),故选B.
7.如图,为了测量A,C两点间的距离,选取同一平面上B,D两点,测出四边形ABCD各边的长度(单位:km):AB=5,BC=8,CD=3,DA=5,且∠B与∠D互补,则AC
的长为________km.
[解析] 由余弦定理得82+52-2×8×5×cos(π-∠D)=AC2=32+52-2×3×5×cos ∠D,解得cos ∠D=-,所以AC==7.
[答案] 7
8.江岸边有一炮台高30 m,江中有两条船,船与炮台底部在同一水平面上,由炮台顶部测得俯角分别为45°和60°,而且两条船与炮台底部连线成30°角,则两条船相距________m.
[解析] 如
图,OM=AOtan 45°
=30(m),
ON=AOtan 30°
=×30=10(m),
在△MON中,由余弦定理得,MN
=
==10(m).
[答案] 10
9.如图,为了测量河的宽度,在一岸边选定两点A、B望对岸的标记物C,测得∠CAB=30°,∠CBA=75°,AB=120 m,则这条河的宽度为________.
[解析] 如图,在△ABC中,过C作CD⊥AB于D点,
则CD为所求河的宽度.在△ABC中,
因为∠CAB=30°,∠CBA=75°,
所以∠ACB=75°,
所以AC=AB=120 m.
在Rt△ACD中,
CD=ACsin∠CAD
=120sin 30°=60(m),
因此这条河的宽度为60 m.
[答案] 60 m
10.如图,为测量山高MN,选择A和另一座山的山顶C为测量观测点.从A点测得M点的仰角∠MAN=60°,C点的仰角∠CAB=45°以及∠MAC=75°;从C点测得∠MCA=60°.已知山高BC=100 m,则山高MN=________m.
[解析] 根据图示,AC=100 m.
在△MAC中,∠CMA=180°-75°-60°=45°.
由正弦定理得=⇒AM=100 m.
在△AMN中,=sin 60°,
所以MN=100×=150(m).
[答案] 150
11.为了应对日益严重的气候问题,某气象仪器科研单位研究出一种新的“弹射型”气象仪器,这种仪器可以弹射到空中进行气象观测.如图所示,A,B,C三地位于同一水平面上,这种仪器在C地进行弹射实验,观测点A,B两地相距100米,∠BAC=60°,在A地听到弹射声音的时间比B地晚秒.在A地测得该仪器至最高点H处的仰角为30°.(已知声音的传播速度为340米/秒)
(1)求A,C两地的距离;
(2)求这种仪器的垂直弹射高度HC.
[解] (1)设BC=x,由条件可知AC=x+×340=x+40,
在△ABC中,
BC2=AB2+AC2-2AB×ACcos ∠BAC,
即x2=1002+(40+x)2-2×100×(40+x)×,解得x=380,
所以AC=380+40=420米,
故A,C两地的距离为420米.
(2)在△ACH中,AC=420,∠HAC=30°,∠AHC=90°-30°=60°,
由正弦定理,可得=,即=,
所以HC==140,故这种仪器的垂直弹射高度为140米.
12.某港湾的平面示意图如图所示,O,A,B分别是海岸线l1,l2上的三个集镇,A位于O的正南方向6 km处,B位于O的北偏东60°方向10 km处.
(1)求集镇A,B间的距离;
(2)随着经济的发展,为缓解集镇O的交通压力,拟在海岸线l1,l2上分别修建码头M,N,开辟水上航线.勘测时发现:以O为圆心,3 km为半径的扇形区域为浅水区,不适宜船只航行.请确定码头M,N的位置,使得M,N之间的直线航线最短.
[解] (1)在△ABO中,OA=6,OB=10,∠AOB=120°,
根据余弦定理得
AB2=OA2+OB2-2·OA·OB·cos 120°
=62+102-2×6×10×=196,
所以AB=14.
故集镇A,B间的距离为14 km.
(2)依题意得,直线MN必与圆O相切.
设切点为C,连接OC(图略),则OC⊥MN.
设OM=x,ON=y,MN=c,
在△OMN中,由MN·OC=OM·ON·sin 120°,
得×3c=xysin 120°,即xy=2c,
由余弦定理,得c2=x2+y2-2xycos 120°=x2+y2+xy≥3xy,
所以c2≥6c,解得c≥6,
当且仅当x=y=6时c取得最小值6.
所以码头M,N与集镇O的距离均为6 km时,M,N之间的直线航线最短,最短距离为6km.
)
13.A,B是海面上位于东西方向相距5(3+)海里的两个观测点.现位于A点北偏东45°、B点北偏西60°的D点有一艘轮船发出求救信号,位于B点南偏西60°且与B点相距20海里的C点的救援船立即前往营救,其航行速度为30海里/小时,该救援船到达D点需要的时间为( )
A.1小时 B.2小时
C.(1+)小时 D.小时
A [解析] 由题意知AB=5(3+)海里,∠DBA=90°-60°=30°,∠DAB=45°,
所以∠ADB=105°,
在△DAB中,由正弦定理得=,
所以DB==
=10(海里),
又∠DBC=∠DBA+∠ABC=30°+(90°-60°)=60°,
BC=20海里,
在△DBC中,由余弦定理得
CD2=BD2+BC2-2BD·BC·cos ∠DBC
=300+1 200-2×10×20×=900,
所以CD=30(海里),则需要的时间t==1(小时).
14.(2017·山西省第二次四校联考)在△ABC中,角A、B、C所对的边分别为a、b、c,且acos B-bcos A=c,当tan(A-B)取最大值时,角B的值为________.
[解析] 由acos B-bcos A=c及正弦定理,得
sin Acos B-sin Bcos A=sin C=sin(A+B)=(sin Acos B+cos A·sin B),整理得sin Acos B=3cos Asin B,即tan A=3tan B,易得tan A>0,tan B>0,所以tan(A-B)===≤=,当且仅当=3tan B,即tan B=时,tan(A-B)取得最大值,所以B=.
[答案]
15.(2017·河南省六市第一次联考)如图,在一条海防警戒线上的点A、B、C处各有一个水声监测点,B、C两点到A的距离分别为20千米和50千米,某时刻,B收到发自静止目标P的一个声波信号,8秒后A、C同时接到该声波信号,已知声波在水中的传播速度是1.5千米/秒.
(1)设A到P的距离为x千米,用x表示B、C到P的距离,并求x的值;
(2)求P到海防警戒线AC的距离.
[解] (1)依题意,有PA=PC=x,PB=x-1.5×8=x-12.
在△PAB中,AB=20,cos ∠PAB===,
同理,在△PAC中,AC=50,cos ∠PAC===.
因为cos ∠PAB=cos ∠PAC,所以=,
解得x=31.
(2)作PD⊥AC于点D,在△ADP中,
由cos ∠PAD=,
得sin ∠PAD==,
所以PD=PAsin∠PAD=31×=4.
故静止目标P到海防警戒线AC的距离为4千米.
16.在△ABC中,已知B=,AC=4,D为BC边上一点.
(1)若AD=2,S△DAC=2,求DC的长;
(2)若AB=AD,试求△ADC的周长的最大值.
[解] (1)因为S△DAC=2,
所以·AD·AC·sin ∠DAC=2,所以sin∠DAC=.因为∠DAC<∠BAC<π-=,
所以∠DAC=.
在△ADC中,由余弦定理,得
DC2=AD2+AC2-2AD·ACcos,所以DC2=4+48-2×2×4×=28,所以DC=2.
(2)因为AB=AD,B=,
所以△ABD为正三角形,
在△ADC中,根据正弦定理,可得
==,
所以AD=8sin C,DC=8sin,
所以△ADC的周长为
AD+DC+AC=8sin C+8sin+4
=8+4
=8+4=8sin+4.
因为∠ADC=,所以0<C<,
所以<C+<,
所以当C+=,即C=时,△ADC的周长的最大值为8+4.