【问题情境】
在数学综合实践课上,同学们以特殊三角形为背景,探究动点运动的几何问题。如图,在$△ ABC$中,$M,N$分别为$AB,AC$上的动点(不含端点),且$AN=BM$。
【初步尝试】
(1)如图1,当$△ ABC$为等边三角形时,小颜发现:将$MA$绕点$M$逆时针旋转$120°$,得到$MD$,连接$BD$,请写出$MN$与$DB$之间的数量关系,并说明理由。
【类比探究】
(2)小雨尝试改变三角形的形状后进一步探究:如图2,在$△ ABC$中,$AB=AC,∠ BAC=90°$,$AE⊥ MN$于点$E$,交$BC$于点$F$,将$MA$绕点$M$逆时针旋转$90°$,得到$MD$,连接$DA,DB$。试猜想四边形$AFBD$的形状,并说明理由。
【拓展延伸】
(3)孙老师提出新的探究方向:如图3,在$△ ABC$中,$AB=AC=4,∠ BAC=90°$,连接$BN,CM$,请直接写出$BN+CM$的最小值。

在数学综合实践课上,同学们以特殊三角形为背景,探究动点运动的几何问题。如图,在$△ ABC$中,$M,N$分别为$AB,AC$上的动点(不含端点),且$AN=BM$。
【初步尝试】
(1)如图1,当$△ ABC$为等边三角形时,小颜发现:将$MA$绕点$M$逆时针旋转$120°$,得到$MD$,连接$BD$,请写出$MN$与$DB$之间的数量关系,并说明理由。
【类比探究】
(2)小雨尝试改变三角形的形状后进一步探究:如图2,在$△ ABC$中,$AB=AC,∠ BAC=90°$,$AE⊥ MN$于点$E$,交$BC$于点$F$,将$MA$绕点$M$逆时针旋转$90°$,得到$MD$,连接$DA,DB$。试猜想四边形$AFBD$的形状,并说明理由。
【拓展延伸】
(3)孙老师提出新的探究方向:如图3,在$△ ABC$中,$AB=AC=4,∠ BAC=90°$,连接$BN,CM$,请直接写出$BN+CM$的最小值。
答案
(1) $\boldsymbol{MN=DB}$,理由见上述解析;
(2) 四边形$AFBD$是$\boldsymbol{平行四边形}$,理由见上述解析;
(3) $BN+CM$的最小值为$\boldsymbol{4\sqrt{5}}$。
(2) 四边形$AFBD$是$\boldsymbol{平行四边形}$,理由见上述解析;
(3) $BN+CM$的最小值为$\boldsymbol{4\sqrt{5}}$。
解析
(1) $MN=DB$,理由如下:
$\because △ ABC$是等边三角形,
$\therefore AB=AC$,$∠ A=60°$,
由旋转性质得:$MD=MA$,$∠ AMD=120°$,
又$\because M$在$AB$上,$\therefore ∠ DMB=180°-∠ AMD=60°$,即$∠ DMB=∠ A$,
已知$AN=BM$,
在$△ MBD$和$△ ANM$中:
$\begin{cases} MD=MA \\ ∠ DMB=∠ A \\ BM=AN \end{cases}$
$\therefore △ MBD ≌ △ ANM(\mathrm{SAS})$,
$\therefore MN=DB$。
(2) 四边形$AFBD$是平行四边形,理由如下:
由旋转性质得:$MD=MA$,$∠ AMD=90°$,
$\therefore △ AMD$是等腰直角三角形,$∠ MAD=45°$,
$\because ∠ BAC=90°$,$AB=AC$,
$\therefore ∠ ABC=45°$,即$∠ MAD=∠ ABC$,
$\therefore DA// BF$(同位角相等,两直线平行)。
$\because M$在$AB$上,$∠ AMD=90°$,$\therefore ∠ DMB=90°=∠ MAN$,
在$△ DBM$和$△ MNA$中:
$\begin{cases} MD=MA \\ ∠ DMB=∠ MAN \\ BM=AN \end{cases}$
$\therefore △ DBM ≌ △ MNA(\mathrm{SAS})$,
$\therefore ∠ DBM=∠ AMN$,
$\because AE⊥ MN$,$\therefore ∠ EAM + ∠ AMN=90°$,
又$\because ∠ EAM + ∠ BAF=90°$,
$\therefore ∠ AMN=∠ BAF$,即$∠ DBM=∠ BAF$,
$\therefore DB// AF$(内错角相等,两直线平行),
$\because DA// BF$,$DB// AF$,
$\therefore$ 四边形$AFBD$两组对边分别平行,是平行四边形。
(3) 设$AN=BM=x$,由$AB=AC=4$,$∠ BAC=90°$得:
$BN=\sqrt{AB^2+AN^2}=\sqrt{x^2+4^2}$,$CM=\sqrt{AC^2+AM^2}=\sqrt{(4-x)^2+4^2}$,
该式的几何意义为:$x$轴上动点$(x,0)$到定点$(0,4)$和$(4,4)$的距离之和,由将军饮马模型,作点$(0,4)$关于$x$轴的对称点$(0,-4)$,两点$(0,-4)$和$(4,4)$的连线长度即为最小值:
$\sqrt{(4-0)^2+(4+4)^2}=\sqrt{16+64}=4\sqrt{5}$。
$\because △ ABC$是等边三角形,
$\therefore AB=AC$,$∠ A=60°$,
由旋转性质得:$MD=MA$,$∠ AMD=120°$,
又$\because M$在$AB$上,$\therefore ∠ DMB=180°-∠ AMD=60°$,即$∠ DMB=∠ A$,
已知$AN=BM$,
在$△ MBD$和$△ ANM$中:
$\begin{cases} MD=MA \\ ∠ DMB=∠ A \\ BM=AN \end{cases}$
$\therefore △ MBD ≌ △ ANM(\mathrm{SAS})$,
$\therefore MN=DB$。
(2) 四边形$AFBD$是平行四边形,理由如下:
由旋转性质得:$MD=MA$,$∠ AMD=90°$,
$\therefore △ AMD$是等腰直角三角形,$∠ MAD=45°$,
$\because ∠ BAC=90°$,$AB=AC$,
$\therefore ∠ ABC=45°$,即$∠ MAD=∠ ABC$,
$\therefore DA// BF$(同位角相等,两直线平行)。
$\because M$在$AB$上,$∠ AMD=90°$,$\therefore ∠ DMB=90°=∠ MAN$,
在$△ DBM$和$△ MNA$中:
$\begin{cases} MD=MA \\ ∠ DMB=∠ MAN \\ BM=AN \end{cases}$
$\therefore △ DBM ≌ △ MNA(\mathrm{SAS})$,
$\therefore ∠ DBM=∠ AMN$,
$\because AE⊥ MN$,$\therefore ∠ EAM + ∠ AMN=90°$,
又$\because ∠ EAM + ∠ BAF=90°$,
$\therefore ∠ AMN=∠ BAF$,即$∠ DBM=∠ BAF$,
$\therefore DB// AF$(内错角相等,两直线平行),
$\because DA// BF$,$DB// AF$,
$\therefore$ 四边形$AFBD$两组对边分别平行,是平行四边形。
(3) 设$AN=BM=x$,由$AB=AC=4$,$∠ BAC=90°$得:
$BN=\sqrt{AB^2+AN^2}=\sqrt{x^2+4^2}$,$CM=\sqrt{AC^2+AM^2}=\sqrt{(4-x)^2+4^2}$,
该式的几何意义为:$x$轴上动点$(x,0)$到定点$(0,4)$和$(4,4)$的距离之和,由将军饮马模型,作点$(0,4)$关于$x$轴的对称点$(0,-4)$,两点$(0,-4)$和$(4,4)$的连线长度即为最小值:
$\sqrt{(4-0)^2+(4+4)^2}=\sqrt{16+64}=4\sqrt{5}$。
登录