选择性必修第一册 · 第 3 章 圆锥曲线的方程
到定点的距离等于到定直线的距离。抓住“到焦点的距离转化成到准线的垂直距离”,公式、几何性质与最值问题就全通了。
3D 舞台:平行于母线截圆锥得到抛物线,用丹德林球找出焦点和准线 →
卫星电视的“大锅”接收正面传来的平行电波,再把它们反射出去。
接收电波的小盒子该放在哪里?先猜一猜。
B,放在电波汇到一起的位置。这个位置叫“焦点”。这一节就来认识抛物线。
你一定见过这些神奇的生活场景:
它们不约而同采用了“抛物面”。可用下图的按钮对照。
B。卫星天线的截面是一条抛物线,它的焦点就是所有平行入射波经反射后汇聚的共同点!反过来,探照灯把灯珠放在焦点,反射出的就是平行的强聚光束。
这一切神奇的光学与物理性质,都源于抛物线最纯粹的几何定义:平面内到定点(焦点)与到定直线(准线)的距离严格相等。这一节就从这个定义出发,弄清它的标准方程、性质和用法。
要用到:两点间距离公式、点到直线的距离(回看 2.3)。下面几个词都拿同一组例子说:定点 \(F(1,0)\),定直线 \(l:\ x=-1\)。
课本用词:正统抛物线要求焦点不在准线上;若焦点落在准线上,轨迹退化为一条直线,不能直接套用抛物线标准方程。
焦点 \(F\)、准线 \(l\):抛物线定义里的那个定点叫焦点,那条定直线叫准线。焦点不在准线上。
例:\(F(1,0)\) 不在 \(x=-1\) 上,可以做焦点和准线。
点到准线的距离:从点向准线作垂线,垂线段的长。准线是竖直线 \(x=a\) 时,就是横坐标之差的绝对值 \(|x_0-a|\)。
例:点 \((4,4)\) 到 \(x=-1\) 的距离是 \(|4-(-1)|=5\)。
焦准距 \(p\) 与焦半径 \(|PF|\):焦点到准线的距离为 \(p\)(\(p>0\));顶点在正中间,离焦点、准线各 \(\dfrac{p}{2}\)。抛物线上一点 \(P\) 到焦点的距离叫焦半径,根据定义恒等于它到准线的距离。
例:\(F(1,0)\) 到 \(x=-1\) 的距离 \(p=2\),点 \(P(4,4)\) 到准线距离 \(5\),则焦半径 \(|PF|=5\)。
光学性质(阅读):平行于对称轴射来的光,在抛物线上反射后都经过焦点;反之焦点光源反射后成平行光(探照灯原理)。
平面内,到定点 \(F\) 和到定直线 \(l\)(\(F\) 不在 \(l\) 上)距离相等的点的轨迹叫抛物线。
例 1(看一遍怎么写)
到点 \(F(0,2)\) 和到直线 \(y=-2\) 距离相等的点,轨迹方程是什么?
设 \(P(x,y)\)。到 \(F\) 距离 \(\sqrt{x^2+(y-2)^2}\);到直线 \(y=-2\) 距离 \(|y+2|\)。令两式相等并平方:
\(x^2+y^2-4y+4=y^2+4y+4 \implies x^2=8y\)。焦点在上方,开口向上。
自己试试:到点 \(F(0,1)\) 和到直线 \(y=-1\) 距离相等的点,轨迹方程是?
A。\(\sqrt{x^2+(y-1)^2}=|y+1|\),平方得 \(x^2-2y+1=2y+1\),即 \(x^2=4y\)。选 B 是把焦点到原点距离当成了 \(p\);选 C 是轴搞反了;选 D 是开口方向反了。
例 2(正反双向练习)
(1)求 \(y^2 = 12x\) 的焦点和准线。
一次项是 \(x\),系数 \(12>0\),开口向右。\(2p=12 \implies \dfrac{p}{2}=3\)。故焦点 \(F(3,0)\),准线 \(x=-3\)。
(2)焦点是 \((0,-3)\),求抛物线的标准方程。
焦点在 \(y\) 轴负半轴,开口向下,设 \(x^2=-2py\)。由 \(\dfrac{p}{2}=3\) 得 \(2p=12\),方程为 \(x^2=-12y\)。
自己试试:抛物线 \(x^2 = -8y\) 的焦点坐标是?
B。一次项是 \(y\),对称轴是 \(y\) 轴;系数 \(-8<0\),开口向下。\(2p=8 \implies \dfrac p2=2\),焦点 \((0,-2)\)。
选 A 是轴搞错了;选 C 是只除了 \(2\);选 D 是直接抄了一次项系数。
抛物线上的点,到焦点的距离要开根号算,到准线的距离只需做减法。把到焦点的距离换成到准线的距离,常常能把复杂的折线求最值变成垂线段最短。
例 3(折线拉直经典题)
点 \(A(3,2)\),抛物线 \(y^2=4x\),焦点是 \(F(1,0)\),准线 \(l:\ x=-1\)。抛物线上一点 \(P\),求 \(|PA|+|PF|\) 的最小值。
依定义,\(|PF|\) 等于 \(P\) 到准线的距离 \(|PH|\),故 \(|PA| + |PF| = |PA| + |PH|\)。
先看 \(A\) 在哪:\(y_A^2=4 < 4\times 3=12\),\(A\) 在抛物线内部。从 \(A\) 经 \(P\) 走到准线的折线长,不小于 \(A\) 到准线的垂直距离:\(3 - (-1) = 4\)。取等条件为 \(A, P, H\) 三点共线,此时 \(P(1,2)\),故最小值为 \(4\)。
自己试试:抛物线 \(y^2 = 6x\) 上一点 \(P\) 到焦点的距离是 \(5\),\(P\) 的横坐标是?
A。\(2p=6 \implies p=3\),准线 \(x=-\dfrac32\)。焦半径 \(|PF|=x_0+\dfrac32=5 \implies x_0=\dfrac72\)。选 B 是减了 \(p=3\);选 C 是加反了;选 D 是把距离直接当横坐标。
在 \(y^2=2px\)(\(p>0\))上,过焦点且垂直对称轴的弦有多长?把焦点的横坐标代入,再比较不同 \(p\) 的情形。
通径:过焦点且垂直于对称轴的弦,长为 \(2p\)。\(p\) 越大,开口越宽。
焦点为 \((p/2,0)\)。代入 \(x=p/2\),得 \(y^2=p^2\),两端点的纵坐标为 \(\pm p\),弦长为 \(2p\)。其他开口方向可交换坐标或反向,同样得到通径长 \(2p\)。
拖动抛物线上的动点 \(P\)(或选中后按键盘方向键),观察焦半径 \(PF\) 与到准线的垂线段 \(PH\)。切换 4 种开口方向或调节焦准距 \(p\),体会等距性质。开启“光路演示”可查看平行光反射会聚于焦点 \(F\) 的动态光束。
从易到难排好了。前两道直接用,后三道防掉坑。
1. 已知抛物线方程为 \(y^2 = 8x\),则该抛物线的焦点坐标与准线方程分别为?
A。一次项为 \(x\),系数为 \(8 > 0\),开口向右,焦点在 \(x\) 轴正半轴。
牢记核心法则:一次项系数除以 4 得到焦点坐标,\(\dfrac{8}{4} = 2\),因此焦点为 \((2, 0)\);除以 2 得到焦准距 \(p = 4\),因此准线方程为 \(x = -2\)。
选 B 的同学除以了 2;选 C 搞错了坐标轴;选 D 则是直接抄了一次项系数。
2. 已知抛物线 \(x^2 = 4y\) 上有一点 \(P(x_0, 3)\),则点 \(P\) 到该抛物线焦点的距离 \(|PF|\) 为?
B。直接用焦半径公式与准线转化!抛物线 \(x^2 = 4y\) 中 \(2p = 4 \implies p = 2\),\(\dfrac{p}{2} = 1\)。准线方程为 \(y = -1\)。
由抛物线定义,曲线上点 \(P\) 到焦点的距离直接等于它到准线的垂直距离:\(|PF| = d(P, l) = y_0 - (-1) = 3 + 1 = 4\)。完全不需要求出 \(x_0\) 的具体数值!
3. 抛物线 \(y = 2x^2\) 的焦点坐标是?
B。易错陷阱:非标准方程先化标!绝不能直接把 \(2\) 除以 4!标准方程中平方项系数必须是 1:将 \(y = 2x^2\) 两边同除以 2,化为标准形式 \(x^2 = \dfrac{1}{2}y\)。
此时一次项是 \(y\),系数为 \(\dfrac{1}{2}\),开口向上,焦点在 \(y\) 轴上。再将一次项系数除以 4:\(\dfrac{1/2}{4} = \dfrac{1}{8}\),焦点坐标为 \(\left(0, \dfrac{1}{8}\right)\)。选 A 是直接拿 2 除以 4;选 C 是搞错了焦点所在轴。
4. 平面内到定点 \(F(1, 0)\) 的距离等于到定直线 \(l: x = 1\) 的距离的点的轨迹是?
C。易错陷阱:定点在定直线上时的轨迹退化!抛物线定义严格要求定点不在定直线上(\(F \notin l\))。
本题中定点 \(F(1, 0)\) 恰好就在直线 \(l: x = 1\) 上!设动点 \(P(x, y)\),它到直线 \(l\) 的垂足为 \(H(1, y)\)。由 \(|PF| = |PH|\) 得 \(\sqrt{(x-1)^2 + y^2} = |x-1|\),两边平方即得 \((x-1)^2 + y^2 = (x-1)^2 \implies y^2 = 0 \implies y = 0\)。轨迹是过点 \(F\) 且垂直于 \(l\) 的一条直线(即 \(x\) 轴),并不存在抛物线!
5. 已知抛物线 \(C: y^2 = 4x\) 的焦点为 \(F\),点 \(A(4, 2)\),\(P\) 为抛物线 \(C\) 上的动点,则 \(|PA| + |PF|\) 的最小值是?
B。方法提示:用准线转化距离。抛物线 \(y^2 = 4x\) 的焦点为 \(F(1, 0)\),准线为 \(l: x = -1\)。由定义,\(|PF| = d(P, l)\)(\(P\) 到准线的距离)。
所以 \(|PA| + |PF| = |PA| + d(P, l)\)。由垂线段最短,当过 \(A\) 作准线 \(l\) 的垂线交抛物线于 \(P\) 时,折线段化为直线段,取得最小值,最小值为点 \(A\) 到准线的距离:\(x_A - (-1) = 4 - (-1) = 5\)。
若误连 \(AF\) 算两点距离 \(\sqrt{(4-1)^2 + 2^2} = \sqrt{13} \approx 3.6\)(选 D),由于点 \(A\) 在抛物线内部,线段 \(AF\) 根本不与抛物线相交,动点 \(P\) 绝不可能落在线段 \(AF\) 上!
共 56 道,含 22 道解答题;先做本节精选,也可查看全部真题。先自己做,提交后看答案和分步解析。
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学这一节之前,需要用到下面的初中数学基础;如果觉得生疏可以先点开回顾:
学有余力可以接着挑战。下面的竞赛专题以这一节为先修,题目来自全国高中数学联赛、各省预赛和强基、自主招生真题。