3.3 抛物线
3.3.1 抛物线的标准方程
学习任务 核心素养
1.了解抛物线的定义、几何图形和标准方程.(重点) 2.明确p的几何意义,掌握抛物线的简单应用.(难点) 1.通过对抛物线定义的学习,培养数学抽象核心素养. 2.通过对抛物线定义及标准方程的应用,培养直观想象、数学建模等核心素养.
我们已经学习了椭圆、双曲线两种圆锥曲线,今天我们来学习第三种圆锥曲线——抛物线.
在物理上,抛物线被认为是抛射物体的运行轨道;在数学中,抛物线是二次函数的图象.
现在来做一个实验.
如图,把一根直尺固定在画图板内,直线l的位置上,一块三角板的一条直角边紧靠直尺的边缘,把一根绳子的一端固定于三角板的顶点A处,截取绳子的长等于A到l的距离AC,并且把绳子另一端固定在图板上的一点F处;用一支铅笔扣着绳子,紧靠着三角板的这条直角边把绳子绷紧,然后使三角板紧靠着直尺上下滑动,这样铅笔就画出了一条曲线,这条曲线就叫作抛物线.
知识点1 抛物线的定义
平面内到一个定点F和一条定直线l(F不在l上)的距离____的点的轨迹叫作抛物线.定点F叫作抛物线的____,定直线l叫作抛物线的____.
抛物线的定义中,若点F在直线l上,那么点的轨迹是什么?
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
知识点2 抛物线的标准方程
图形 标准方程 焦点坐标 准线方程
_____ (p>0) ___________ ___________
________ (p>0) _________ ________
__________ (p>0) _________ ________
__________ (p>0) __________ __________
1.思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)y=4x2的焦点坐标为(1,0). ( )
(2)以(0,1)为焦点的抛物线的方程为x2=4y. ( )
2.抛物线y=4ax2(a∈R且a≠0)的焦点坐标为________.
类型1 求抛物线的标准方程
【例1】 【链接教材P111例1、例2】
分别求满足下列条件的抛物线的标准方程.
(1)准线方程为2y+4=0;
(2)过点(3,-4);
(3)焦点在直线x+3y+15=0上.
[尝试解答] _________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
1.用待定系数法求抛物线标准方程的步骤
2.求抛物线的标准方程时需注意的三个方面
(1)把握开口方向与方程一次项系数的对应关系;
(2)当抛物线的位置不确定时,可设方程为y2=mx(m≠0)或x2=ny(n≠0),这样可以减少讨论次数;
(3)注意p与的几何意义.
[跟进训练]
1.根据下列条件分别求出抛物线的标准方程:
(1)焦点在y轴上,焦点到准线的距离为5;
(2)经过点(-3,-1);
(3)焦点为直线3x-4y-12=0与坐标轴的交点.
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 类型2 抛物线定义的应用
【例2】 已知抛物线y2=4x的焦点是F,点P是抛物线上的动点,对于定点A(4,2),求|PA|+|PF|的最小值,并求出取最小值时的P点坐标.
[思路探究] 利用抛物线的定义,把|PF|转化成点P到准线的距离.
[尝试解答] _________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
抛物线定义的两种应用
(1)实现距离转化.根据抛物线的定义,抛物线上任意一点到焦点的距离等于它到准线的距离,因此,由抛物线定义可以实现点点距与点线距的相互转化,从而简化某些问题.
(2)解决最值问题.在抛物线中求解与焦点有关的两点间距离和的最小值时,往往用抛物线的定义进行转化,即化折线为直线解决最值问题.
[跟进训练]
2.已知点P是抛物线y2=2x上的一个动点,求点P到点A(0,2)的距离与P到该抛物线准线的距离之和的最小值.
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
类型3 抛物线的实际应用
【例3】 河上有座抛物线形拱桥,当水面距拱顶5米时,水面宽为8米,一小船宽4米,高2米,载货后船露出水面的部分高米,问:水面上涨到与抛物线拱顶相距多少米时,小船开始不能通航?
[尝试解答] _________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
求解抛物线实际应用题的步骤
[跟进训练]
3.一辆卡车高3 m,宽1.6 m,欲通过断面为抛物线形的隧道,如图所示,已知拱口宽AB恰好是拱高OD的4倍.若拱口宽为a m,求能使卡车通过的a的最小整数值.
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1.准线与x轴垂直,且经过点(1,-)的抛物线的标准方程是( )
A.y2=-2x B.y2=2x
C.x2=2y D.x2=-2y
2.过点A(3,0)且与y轴相切的圆的圆心轨迹为( )
A.圆 B.椭圆
C.直线 D.抛物线
3.已知点A(1,)在抛物线C:y2=2px上,则点A到C的准线的距离为________.
4.如图是抛物线形拱桥,当水面在l时,拱顶离水面2米,水面宽4米.水位下降1米后,水面宽________米.
5.若抛物线y2=-2px(p>0)上有一点M,其横坐标为-9,它到焦点的距离为10,求点M的坐标.
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
回顾本节知识,自我完成以下问题:
1.为了避免讨论,如何灵活地设抛物线的标准方程?
2.根据抛物线的定义,焦半径公式是什么?
1 / 53.3 抛物线
3.3.1 抛物线的标准方程
学习任务 核心素养
1.了解抛物线的定义、几何图形和标准方程.(重点) 2.明确p的几何意义,掌握抛物线的简单应用.(难点) 1.通过对抛物线定义的学习,培养数学抽象核心素养. 2.通过对抛物线定义及标准方程的应用,培养直观想象、数学建模等核心素养.
我们已经学习了椭圆、双曲线两种圆锥曲线,今天我们来学习第三种圆锥曲线——抛物线.
在物理上,抛物线被认为是抛射物体的运行轨道;在数学中,抛物线是二次函数的图象.
现在来做一个实验.
如图,把一根直尺固定在画图板内,直线l的位置上,一块三角板的一条直角边紧靠直尺的边缘,把一根绳子的一端固定于三角板的顶点A处,截取绳子的长等于A到l的距离AC,并且把绳子另一端固定在图板上的一点F处;用一支铅笔扣着绳子,紧靠着三角板的这条直角边把绳子绷紧,然后使三角板紧靠着直尺上下滑动,这样铅笔就画出了一条曲线,这条曲线就叫作抛物线.
知识点1 抛物线的定义
平面内到一个定点F和一条定直线l(F不在l上)的距离相等的点的轨迹叫作抛物线.定点F叫作抛物线的焦点,定直线l叫作抛物线的准线.
抛物线的定义中,若点F在直线l上,那么点的轨迹是什么?
[提示] 点的轨迹是过点F且垂直于直线l的直线.
知识点2 抛物线的标准方程
图形 标准方程 焦点坐标 准线方程
(p>0)
(p>0)
(p>0)
(p>0)
1.思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)y=4x2的焦点坐标为(1,0). ( )
(2)以(0,1)为焦点的抛物线的方程为x2=4y. ( )
[答案] (1)× (2)√
2.抛物线y=4ax2(a∈R且a≠0)的焦点坐标为________.
[把方程化为标准形式为x2=y,所以焦点在y轴上,坐标为.]
类型1 求抛物线的标准方程
【例1】 【链接教材P111例1、例2】
分别求满足下列条件的抛物线的标准方程.
(1)准线方程为2y+4=0;
(2)过点(3,-4);
(3)焦点在直线x+3y+15=0上.
[解] (1)准线方程为2y+4=0,即y=-2,故抛物线焦点在y轴的正半轴上,设其方程为x2=2py(p>0).又=2,∴2p=8,故所求抛物线的标准方程为x2=8y.
(2)∵点(3,-4)在第四象限,∴抛物线开口向右或向下,
设抛物线的标准方程为y2=2px(p>0)或x2=-2p1y(p1>0).
把点(3,-4)的坐标分别代入y2=2px和x2=-2p1y中,得(-4)2=2p·3,32=-2p1·(-4),即2p=,2p1=.
∴所求抛物线的标准方程为y2=x或x2=-y.
(3)令x=0得y=-5;令y=0得x=-15.
∴抛物线的焦点为(0,-5)或(-15,0).
∴所求抛物线的标准方程为x2=-20y或y2=-60x.
【教材原题·P111例1、例2】
例1 已知抛物线的焦点为F(5,0),求抛物线的标准方程和准线方程.
[解] 因为抛物线的焦点为F(5,0),所以可设抛物线的标准方程为y2=2px(p>0),
其中=5,即p=10,2p=20.
因此,所求抛物线的标准方程是y2=20x,
准线方程是x=-5.
例2 求经过点P(-2,-4)的抛物线的标准方程.
[解] 如图3-3-3,因为点P在第三象限,所以满足条件的抛物线的标准方程有两种情形
y2=-2p1x(p1>0)和x2=-2p2y(p2>0).
分别将点P的坐标代入方程可以解得
p1=4,p2=.
因此,满足条件的抛物线有两条,它们的标准方程分别为y2=-8x,x2=-y.
1.用待定系数法求抛物线标准方程的步骤
2.求抛物线的标准方程时需注意的三个方面
(1)把握开口方向与方程一次项系数的对应关系;
(2)当抛物线的位置不确定时,可设方程为y2=mx(m≠0)或x2=ny(n≠0),这样可以减少讨论次数;
(3)注意p与的几何意义.
[跟进训练]
1.根据下列条件分别求出抛物线的标准方程:
(1)焦点在y轴上,焦点到准线的距离为5;
(2)经过点(-3,-1);
(3)焦点为直线3x-4y-12=0与坐标轴的交点.
[解] (1)已知抛物线的焦点在y轴上,可设方程为x2=2my(m≠0),由焦点到准线的距离为5,知|m|=5,m=±5,所以满足条件的抛物线有两条,它们的标准方程分别为x2=10y和x2=-10y.
(2)∵点(-3,-1)在第三象限,∴设所求抛物线的标准方程为y2=-2px(p>0)或x2=-2p1y(p1>0).
若抛物线的标准方程为y2=-2px(p>0),
则由(-1)2=-2p×(-3),解得p=;
若抛物线的标准方程为x2=-2p1y(p1>0),
则由(-3)2=-2p1×(-1),解得p1=.
∴所求抛物线的标准方程为y2=-x或x2=-9y.
(3)对于直线方程3x-4y-12=0,令x=0,得y=-3;令y=0,得x=4,
∴抛物线的焦点为(0,-3)或(4,0).
当焦点为(0,-3)时,=3,∴p=6,此时抛物线的标准方程为x2=-12y;
当焦点为(4,0)时,=4,∴p=8,此时抛物线的标准方程为y2=16x.
∴所求抛物线的标准方程为x2=-12y或y2=16x.
类型2 抛物线定义的应用
【例2】 已知抛物线y2=4x的焦点是F,点P是抛物线上的动点,对于定点A(4,2),求|PA|+|PF|的最小值,并求出取最小值时的P点坐标.
[思路探究] 利用抛物线的定义,把|PF|转化成点P到准线的距离.
[解] 如图,作PN⊥l于N(l为准线),作AB⊥l于B,
则|PA|+|PF|
=|PA|+|PN|≥|AB|,
当且仅当P为AB与抛物线的交点时,取等号.
∴(|PA|+|PF|)min=|AB|=4+1=5.
此时yP=2,代入抛物线得xP=1,
∴P(1,2).
抛物线定义的两种应用
(1)实现距离转化.根据抛物线的定义,抛物线上任意一点到焦点的距离等于它到准线的距离,因此,由抛物线定义可以实现点点距与点线距的相互转化,从而简化某些问题.
(2)解决最值问题.在抛物线中求解与焦点有关的两点间距离和的最小值时,往往用抛物线的定义进行转化,即化折线为直线解决最值问题.
[跟进训练]
2.已知点P是抛物线y2=2x上的一个动点,求点P到点A(0,2)的距离与P到该抛物线准线的距离之和的最小值.
[解] 由抛物线的定义可知,抛物线上的点到准线的距离等于到焦点的距离.由图可得,
∴点P到准线x=-的距离d=|PF|,
易知点A(0,2)在抛物线y2=2x的外部,
连接AF,交y2=2x于点P′,
欲使所求距离之和最小,
只需A,P′,F共线,
∴其最小值为
|AF|==.
类型3 抛物线的实际应用
【例3】 河上有座抛物线形拱桥,当水面距拱顶5米时,水面宽为8米,一小船宽4米,高2米,载货后船露出水面的部分高米,问:水面上涨到与抛物线拱顶相距多少米时,小船开始不能通航?
[解] 如图,建立坐标系,设拱桥抛物线方程为x2=-2py(p>0),由题意,将B(4,-5)代入方程得p=,∴抛物线方程为x2=-y.
∵当船的两侧和拱桥接触时船不能通航.
设此时船面宽为AA′,则A(2,yA),
由22=-yA,得yA=-.
又知船露出水面部分为米,设水面与抛物线拱顶相距为h,则h=|yA|+=2(米),即水面上涨到距抛物线拱顶2米时,小船开始不能通航.
求解抛物线实际应用题的步骤
[跟进训练]
3.一辆卡车高3 m,宽1.6 m,欲通过断面为抛物线形的隧道,如图所示,已知拱口宽AB恰好是拱高OD的4倍.若拱口宽为a m,求能使卡车通过的a的最小整数值.
[解] 以拱顶O为原点,拱高OD所在直线为y轴,建立直角坐标系,如图所示.
设抛物线方程为x2=-2py(p>0).
∵AB是OD的4倍,∴点B的坐标为.
由点B在抛物线上,得=-2p·,
∴p=.∴抛物线方程为x2=-ay.
设点E(0.8,y0)为抛物线上一点,
代入方程x2=-ay,得0.82=-ay0,
∴y0=-,∴点E到拱底AB的距离h=-|y0|=,令h>3,则>3,
解得a>6+或a<6-(舍去).
∴a的最小整数值为13.
1.准线与x轴垂直,且经过点(1,-)的抛物线的标准方程是( )
A.y2=-2x B.y2=2x
C.x2=2y D.x2=-2y
B [由题意可设抛物线的标准方程为y2=ax,则(-)2=a,解得a=2,因此抛物线的标准方程为y2=2x,故选B.]
2.过点A(3,0)且与y轴相切的圆的圆心轨迹为( )
A.圆 B.椭圆
C.直线 D.抛物线
D [由题意可知,动圆的圆心到点A的距离与到y轴的距离相等,满足抛物线的定义,故选D.]
3.已知点A(1,)在抛物线C:y2=2px上,则点A到C的准线的距离为________.
[将点A的坐标代入抛物线方程,得5=2p,于是y2=5x,则抛物线的准线方程为x=-,所以点A到准线的距离为1--=.]
4.如图是抛物线形拱桥,当水面在l时,拱顶离水面2米,水面宽4米.水位下降1米后,水面宽________米.
2 [建立如图所示的平面直角坐标系,设抛物线的方程为x2=-2py(p>0),则点(2,-2)在抛物线上,代入可得p=1,所以x2=-2y.当y=-3时,x2=6,所以水面宽为2米.]
5.若抛物线y2=-2px(p>0)上有一点M,其横坐标为-9,它到焦点的距离为10,求点M的坐标.
[解] 由抛物线方程y2=-2px(p>0),得其焦点坐标为F,准线方程为x=.设点M到准线的距离为d,则d=|MF|=10,即-(-9)=10,得p=2,故抛物线方程为y2=-4x.
由点M(-9,y)在抛物线上,得y=±6,故点M的坐标为(-9,6)或(-9,-6).
回顾本节知识,自我完成以下问题:
1.为了避免讨论,如何灵活地设抛物线的标准方程?
[提示] 焦点在x轴上的抛物线,其标准方程可以统设为y2=mx(m≠0),此时焦点为F,准线方程为x=-;焦点在y轴上的抛物线,其标准方程可以统设为x2=my(m≠0),此时焦点为F,准线方程为y=-.
2.根据抛物线的定义,焦半径公式是什么?
[提示] 对于抛物线y2=2px(p>0),焦半径|MF|=|x0+|;
对于抛物线x2=2py(p>0),焦半径|MF|=.
课时分层作业(十八) 抛物线的标准方程
一、选择题
1.在平面内,“点P到某定点的距离等于到某定直线的距离”是“点P的轨迹为抛物线”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
B [当定点在定直线上时,其动点轨迹不是抛物线,反过来抛物线上的点满足到焦点的距离等于到准线的距离,故选B.]
2.若抛物线y2=2px的焦点与椭圆=1的右焦点重合,则p的值为( )
A.-2 B.2 C.-4 D.4
D [y2=2px的焦点为,而椭圆的右焦点为(2,0),由=2得p=4.故选D.]
3.已知点A(-2,3)在抛物线C:y2=2px的准线上,记C的焦点为F,则直线AF的斜率为( )
A.- B.-1
C.- D.-
C [抛物线的准线方程为x=-2,则焦点为F(2,0).从而kAF==-.]
4.抛物线y2=4x的焦点为F,点P为抛物线上的动点,点M为其准线上的动点,当△FPM为等边三角形时,其面积为( )
A.2 B.4
C.6 D.4
D [如图,由抛物线的定义知PM⊥l.
在Rt△MQF中,|QF|=2,
∠QMF=30°,∴|MF|=4,
∵△FPM是等边三角形,
∴S△PMF=×42=4.故选D.]
5.如图所示,南北方向的公路l,A地在公路正东2 km处,B地在A东偏北30°方向2 km处,河流沿岸曲线PQ上任意一点到公路l和到A地距离相等.现要在曲线PQ上建一座码头,向A,B两地运货物,经测算,从M到A,B的修建费用都为a万元/km,那么,修建这条公路的总费用(单位:万元)最低是( )
A.(2+)a B.2(+1)a
C.5a D.6a
C [依题意知曲线PQ是以A为焦点、l为准线的抛物线,根据抛物线的定义知,欲求从M到A,B修建公路的最低费用,只需求出B到直线l的距离即可,因B地在A地东偏北30°方向2 km处,
∴B到点A的水平距离为3 km,
∴B到直线l距离为3+2=5(km),
那么修建这条公路的总费用最低为5a万元,故选C.]
二、填空题
6.抛物线y=-x2上的动点M到两定点F(0,-1),E(1,-3)的距离之和的最小值为________.
4 [抛物线标准方程为x2=-4y,其焦点坐标为(0,-1),准线方程为y=1,则|MF|的长度等于点M到准线y=1的距离,从而点M到两定点F,E的距离之和的最小值为点E(1,-3)到直线y=1的距离.即最小值为4.]
7.已知抛物线关于x轴对称,它的顶点为坐标原点O,并且经过点M(2,y0).若点M到该抛物线焦点的距离为3,则|OM|等于________.
2 [设抛物线方程为y2=2px(p>0),
则焦点坐标为,准线方程为x=-,
∵M在抛物线上,∴M到焦点的距离等于到准线的距离,即2+=3,p=2,抛物线方程为y2=4x,
∵M(2,y0)在抛物线上=8,
∴|OM|===2.]
8.设F为抛物线y2=4x的焦点,A,B,C为该抛物线上三点,若=0,则||+||+||=________.
6 [因为=0,所以点F为△ABC的重心,则A,B,C三点的横坐标之和为点F的横坐标的三倍,即xA+xB+xC=3,所以||+||+||=xA+1+xB+1+xC+1=6.]
三、解答题
9.(源自人教A版教材)一种卫星接收天线如图1所示,其曲面与轴截面的交线为抛物线.在轴截面内的卫星波束呈近似平行状态射入形为抛物线的接收天线,经反射聚集到焦点处,如图2.已知接收天线的口径(直径)为4.8 m,深度为1 m.试建立适当的坐标系,求抛物线的标准方程和焦点坐标.
[解] 如图,在接收天线的轴截面所在平面内建立直角坐标系,使接收天线的顶点与原点重合,焦点在x轴上.
设抛物线的标准方程是y2=2px(p>0).由已知条件得,点A的坐标是(1,2.4),代入方程,得
2.42=2p×1,
即p=2.88.
所以,所求抛物线的标准方程是y2=5.76x,焦点坐标是(1.44,0).
10.如图所示,已知抛物线y2=2px(p>0)的焦点为F,A是抛物线上横坐标为4且位于x轴上方的点,点A到抛物线准线的距离等于5,过点A作AB垂直于y轴,垂足为点B,OB的中点为M.
(1)求抛物线的方程;
(2)过点M作MN⊥FA,垂足为N,求点N的坐标.
[解] (1)抛物线y2=2px的准线方程为x=-,
于是4+=5,p=2,
所以抛物线的方程为y2=4x.
(2)由题意得A(4,4),B(0,4),M(0,2).
又F(1,0),所以kAF=,
则FA的方程为y=(x-1).
因为MN⊥FA,所以kMN=-,
则MN的方程为y=-x+2.
解方程组得
所以N.
11.(多选题)对标准形式的抛物线,下列条件满足抛物线方程y2=10x的有( )
A.焦点在x轴上
B.抛物线上横坐标为1的点到焦点的距离等于6
C.焦点到准线的距离为5
D.由原点向过焦点的某直线作垂线,垂足坐标为(2,1)
ACD [抛物线y2=10x的焦点在x轴上,A满足;设M(1,y0)是抛物线y2=10x上一点,则|MF|=1+=1+=≠6,所以B不满足;因为y2=10x中p=5,所以焦点到准线的距离为5,所以C满足;由于抛物线y2=10x的焦点为,设过该焦点的直线方程为y=k,若由原点向该直线作垂线,垂足为(2,1),则k=-2,此时直线存在,所以D满足.
所以满足抛物线y2=10x的有ACD.]
12.过抛物线y2=4x的焦点F的直线l交抛物线于A,B两点.若AB的中点M到抛物线准线的距离为6,则线段AB的长为( )
A.6 B.9
C.12 D.无法确定
C [过点A,M,B分别作准线的垂线,垂足分别为C,M′,D,如图所示,由抛物线的定义,得|AF|=|AC|,|BF|=|BD|,∵M为AB的中点,且|MM′|=6,
∴|AC|+|BD|=12,即|AB|=|AF|+|BF|=12.]
13.已知抛物线C的焦点F与椭圆=1的右焦点重合,则抛物线C的标准方程为________.若P1,P2,P3是该抛物线上的点,它们的横坐标依次为x1,x2,x3,且=x1·x3,又log2x1+log2x2+log2x3=3,则|P2F|=________.
y2=4x 3 [椭圆=1的右焦点为(1,0),=1,∴p=2.所以抛物线C的标准方程为y2=4x.由抛物线的方程为y2=4x,可得焦点F(1,0),准线方程为x==x1·x3,且log2x1+log2x2+log2x3==3,解得x2=2,
∴|P2F|=x2-(-1)=3.]
14.已知抛物线C:y2=2px(p>0)的焦点F,点M(x0,6)是抛物线上一点,以M为圆心的圆与直线x=交于A,B两点(A在B的上方),若sin ∠MFA=,则抛物线C的方程为____________.
y2=12x [如图所示,过点M作MD垂直于抛物线的准线,垂足为D,交直线x=于C,
∴sin ∠MFA==,
由抛物线定义可得MF=MD,
∴==,即5x0+p=7x0-p,
∴x0=3p.
∵点M(x0,6)x0>是抛物线上一点,
∴(6)2=2px0,即36×6=6p2,
∴p=6,得y2=12x.]
15.如图是抛物线形拱桥,设水面宽|AB|=18 m,拱顶距离水面8 m,一货船在水面上的部分的横断面为一矩形CDEF.
若|CD|=9 m,那么|DE|不超过多少米才能使货船通过拱桥?
[解] 如图所示,以点O为原点,过点O且平行于AB的直线为x轴,线段AB的垂直平分线为y轴,建立平面直角坐标系,
则B(9,-8).
设抛物线方程为x2=-2py(p>0).
∵B点在抛物线上,
∴81=-2p·(-8),
∴p=,
∴抛物线的方程为
x2=-y.
当x=时,y=-2,
即|DE|=8-2=6.
∴|DE|不超过6 m才能使货船通过拱桥.
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