一道課本動態(tài)幾何題的變式探究

王憲成

三角形是最簡單的多邊形，將復(fù)雜問題（或圖形）“轉(zhuǎn)化”為簡單的問題（或圖形）從而順利解決問題是一種重要的數(shù)學(xué)思想方法，事實上，初中幾何中包括中考試題中很多多邊形問題最終都要以三角形為“落腳點(diǎn)”.因此，熟練掌握及能運(yùn)用三角形相關(guān)知識解決問題顯得尤為重要.下面，從一道課本例題出發(fā)，以“設(shè)計”“生長”“探究”變式追問的過程為線索，討論三角形相關(guān)知識在解決系列問題中的重要作用.

【課本例題】如圖1，在矩形ABCD中，AB=6cm，BC=12cm，點(diǎn)P從點(diǎn)A出發(fā)沿AB以1cm/s的速度向點(diǎn)B移動；同時，點(diǎn)Q從點(diǎn)B出發(fā)沿BC以2cm/s的速度向點(diǎn)C移動.幾秒鐘后△DPQ的面積等于28cm2？

圖1

【分析】設(shè)xs后△DPQ的面積為28cm2，則AP、PB、BQ、QC的長度可分別用含x的代數(shù)式表示，從而Rt△DAP、Rt△PBQ、Rt△QCD的面積也都可用含x的代數(shù)式表示，于是可以列出方程.

【變式追問】老師把這個圖形進(jìn)行了改編，打算從簡單的直角三角形入手，放手讓同學(xué)們設(shè)計或提出一些問題，下面老師就把那節(jié)課生成的好問題在這里作一個分享，期望對同學(xué)們有所幫助.

一、設(shè)計

如圖 2，在 Rt△ABC 中，∠ABC=90°，AB=6cm，BC=12cm，點(diǎn)P從點(diǎn)A出發(fā)沿AB以1cm/s的速度向點(diǎn)B移動，同時，點(diǎn)Q從點(diǎn)B出發(fā)沿BC以2cm/s的速度向點(diǎn)C移動，時間為t.嘗試設(shè)計或提出一些問題.

圖2

【解讀】在這個情境中存在著許多量是隨著點(diǎn)P、Q的運(yùn)動而變化的，如線段AP、PB、BQ、CQ、PQ的長度；△PBQ的面積、周長；線段PQ位置變化等.

（1）當(dāng)PQ=4 2時，求時間t的值.

（2）當(dāng)△PBQ的面積為8cm2時，求時間t的值.

（3）記△PBQ的面積為S1，直接寫出S1關(guān)于t的函數(shù)關(guān)系式，并求出S1的最大值或最小值.

（4）是否存在t的值，使得PQ∥AC？若存在，求出時間t的值；不存在，請說明理由.

【解析】由題意可知：AP=t，PB=6-t，BQ=2t，CQ=12-2t.

（1）在Rt△PBQ 中，PQ2=PB2+BQ2，所以（4 2）2=（6-t）2+（2t）2，解得

（3）S1=（6-t）2t=-t2+6t=-（t-3）2+9，所以，S1的最大值為9.

二、生長

如圖3，以AB、BC為邊補(bǔ)成矩形ABCD，連接DQ、DP.

圖3

（5）當(dāng)DQ⊥PQ時，求時間t的值.

（6）求時間t的值，使得△DPQ是直角三角形.

（7）當(dāng)△PBQ與△DCQ相似時，求時間t的值.

（8）是否存在t的值，使得△DPQ與△PBQ、△DCQ三個三角形兩兩相似？若存在，求出時間t的值；不存在，請說明理由.

（9）連接AC，分別交DQ、DP于點(diǎn)M、N，若M、N是AC的三等分點(diǎn)，求時間t的值.

（6）△DPQ是直角三角形，顯然有三種情形，要分類討論：

（8）有了前面的經(jīng)驗積累，我們知道△PBQ、△DCQ相似時時間t的值，而且都是直角三角形，所以△DPQ必須為直角三角形，由（6）可知，PB=4.5，BQ=3，△PBQ～△QCD，相似比為 PQ∶DQ=BQ∶CD=3∶6=1∶2，但在△PBQ中，PB∶BQ=4.5∶3=3∶2，所以PB∶BQ≠PQ∶DQ，故△DPQ不與△PBQ、△DCQ相似，所以時間t的值不存在.

（9）如圖4，若M、N是AC的三等分點(diǎn)，則由△QCM～△DAM可知同理，由△PAN～△DCN可知3.反之，當(dāng)t=3時，也有M、N是AC的三等分點(diǎn)成立.

圖4

三、探究

如圖5，在矩形ABCD中，以PQ為一邊作正方形PQEF（按逆時針方向），借助幾何畫板，隨著點(diǎn)P、Q的運(yùn)動，又有了新的發(fā)現(xiàn)：

圖5

（10）正方形PQEF的面積為S2，直接寫出S2關(guān)于t的函數(shù)關(guān)系式，并求正方形PQEF面積的最小值.

（11）連接CE，①當(dāng)△CEQ的面積為10時，求時間t的值；②求證：CE=EF.

（12）連接CE、DE，是否存在t的值，使得△DCE是等腰三角形？若存在，求出時間t的值；不存在，請說明理由.

（13）當(dāng)AC平分正方形PQEF的面積時，求時間t的值.

（11）①如圖6，作EH⊥BC于點(diǎn)H，容易證明△PBQ≌△QHE，那么，EH=BQ=2t，于是△CEQ的面積可表示-2t），則有（t12-2t）=10，t1=1，t2=5.

②由①可知，△PBQ≌△QHE，那么QH=PB=6-t，CH=（12-2t）-（6-t）=6-t，則 QH=CH，又因為EH⊥BC于點(diǎn)H，所以CE=EQ=EF.

圖6

圖7

圖8

圖9

（13）當(dāng)AC平分正方形PQEF的面積時，則AC必定經(jīng)過正方形對角線的交點(diǎn)，連接EP交AC于點(diǎn)O，則O點(diǎn)是EP的中點(diǎn)，設(shè)EH交AC于點(diǎn)M，容易證明：△APO≌△MEO，于是，EM=AP=t，而 EH=2t，則 MH=t，由 MH∥AB，有解得t=2.

圖10

【點(diǎn)評】經(jīng)歷上述問題的探究，希望同學(xué)們進(jìn)一步體會方程與函數(shù)的關(guān)系、變中不變、等腰三角形的存在性問題解決策略，尤其關(guān)注問題之間的相互關(guān)聯(lián)，看似“并列式”問題，實則要“遞進(jìn)式”分析思考求解.