本题导读

本题考查解三角形在实际测量与航海追及问题中的应用,涉及余弦定理求距离最值以及基于正弦定理的航行方案设计。

📌【题干】

Question

(2010年福建卷(理)) 某港口 要将一件重要物品用小艇送到一艘正在航行的轮船上. 在小艇出发时,轮船位于港口 北偏西 且与该港口相距 海里的 处,并以 海里/小时的航行速度沿正东方向匀速行驶. 假设该小艇沿直线方向以 海里/小时的航行速度匀速行驶,经过 小时与轮船相遇.

(1) 若希望相遇时小艇的航行距离最小,则小艇航行速度的大小应为多少?

(2) 假设小艇的最高航行速度只能达到 海里/小时,试设计航行方案(即确定航行方向与航行速度的大小),使得小艇能以最短时间与轮船相遇,并说明理由.

🔍【思路分析】

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  1. 建构几何模型:在 中,点 为轮船初始位置,, 的角度可根据北偏西 计算。设相遇点为 ,则轮船航程 ,小艇航程 。
  2. 对于 (1):当 最小即为点 到直线 的垂线段长时,利用直角三角形求出最小 ,进而由轮船到达垂足所需时间 求得 。
  3. 对于 (2):在 中利用余弦定理列出关于 的方程,分析时间 关于速度 的单调性,得出当 达到最大值 海里/小时时 最小,进而求出此时的航向。

✅【答案】

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(1)30√3海里/小时;(2)航行方向为北偏东30∘,航行速度为30海里/小时.

✍【详细解析】

Abstract

如图,设小艇与轮船在点 处相遇。 由题意,,轮船沿正东方向行驶,航速为 海里/小时,则 ()。 小艇从港口 直线驶向 ,航速为 海里/小时,则 。

由于 在 的北偏西 方向,轮船向正东航行, 所以在 中,。

(1) 解: 要使相遇时小艇航速 距离最小,即求点 到直线 的最短距离。 过点 作 于点 。

在 Rt 中,,:

  • 最小航程 海里;
  • 此时轮船航程 海里。

因为 ,解得相遇时间 小时。 由 ,解得小艇速度:

答:小艇航行速度的大小应为 海里/小时。

(2) 解: 在 中,由余弦定理得:

代入 得:

两边同除以 (),整理得:

因为小艇最高航速 ,所以:

解得:

即最短相遇时间为 小时。 当且仅当 取最大值 海里/小时(即 )时,时间 达到最小。

此时:

  • 小艇航程 海里;
  • 轮船航程 海里。

因为 ,所以 为等边三角形,。 因为 的方向为北偏西 , 所以 的方向为北偏东 (即北偏东 )。

航行方案设计: 小艇应以最大速度 海里/小时,沿北偏东 方向航行,经过 小时(40分钟)与轮船相遇。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:余弦定理在实际测量问题中的应用、函数最值与不等式求解。
  2. 核心方法:
  • 第一问利用垂线段最短及直角三角形边角关系直接求解;
  • 第二问构造 关于 的二次函数,利用自变量限制条件求得最小时间 。
  1. 避坑指南:第 (2) 问确定航行方案时,不仅要写出速度大小,还要写明具体的方位角(航向)。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 源于必修五解三角形章节中经典“追及与拦截航向”应用题。
  2. 结论推广: 设目标速度为 ,追击者最大速度为 (),追击者能够拦截到目标的最短时间取决于追击者以全速 航行时的方位角。

🔗【关联脉络】

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