26. (2023·自贡)为测量学校后山高度,数学兴趣小组活动过程如下:

(1)测量坡角
如图1,后山一侧有三段相对平直的山坡$AB$,$BC$,$CD$,山的高度即为三段坡面的铅直高度$BH$,$CQ$,$DR$之和,坡面的长度可以直接测量得到,要求山坡高度还需要知道坡角大小。
如图2,同学们将两根直杆$MN$,$MP$的一端放在坡面起始端$A$处,直杆$MP$沿坡面$AB$方向放置,在直杆$MN$另一端$N$用细线系小重物$G$,当直杆$MN$与铅垂线$NG$重合时,测得两杆夹角$α$的度数,由此可得山坡$AB$坡角$β$的度数。请直接写出$α$,$β$之间的数量关系。
(2)测量山高
同学们测得山坡$AB$,$BC$,$CD$的坡长依次为$40$米,$50$米,$40$米,坡角依次为$24^{\circ}$,$30^{\circ}$,$45^{\circ}$;为求$BH$,小熠同学在作业本上画了一个含$24^{\circ}$角的$\mathrm{Rt}△ TKS$(如图3),量得$KT \approx 5\,\mathrm{cm}$,$TS \approx 2\,\mathrm{cm}$。求山高$DF$。($\sqrt{2} \approx 1.41$,结果精确到$1$米)
(3)测量改进
由于测量工作量较大,同学们围绕如何优化测量进行了深入探究,有了以下新的测量方法。

如图4,5,在学校操场上,将直杆$NP$置于$MN$的顶端,当$MN$与铅垂线$NG$重合时,转动直杆$NP$,使点$N$,$P$,$D$共线,测得$∠ MNP$的度数,从而得到山顶仰角$β_1$,向后山方向前进$40$米,采用相同方式,测得山顶仰角$β_2$;画一个含$β_1$的直角三角形,量得该角对边和另一直角边分别为$a_1$厘米,$b_1$厘米,再画一个含$β_2$的直角三角形,量得该角对边和另一直角边分别为$a_2$厘米,$b_2$厘米。已知杆高$MN$为$1.6$米,求山高$DF$。(结果用不含$β_1$,$β_2$的字母表示)
(1)测量坡角
如图1,后山一侧有三段相对平直的山坡$AB$,$BC$,$CD$,山的高度即为三段坡面的铅直高度$BH$,$CQ$,$DR$之和,坡面的长度可以直接测量得到,要求山坡高度还需要知道坡角大小。
如图2,同学们将两根直杆$MN$,$MP$的一端放在坡面起始端$A$处,直杆$MP$沿坡面$AB$方向放置,在直杆$MN$另一端$N$用细线系小重物$G$,当直杆$MN$与铅垂线$NG$重合时,测得两杆夹角$α$的度数,由此可得山坡$AB$坡角$β$的度数。请直接写出$α$,$β$之间的数量关系。
(2)测量山高
同学们测得山坡$AB$,$BC$,$CD$的坡长依次为$40$米,$50$米,$40$米,坡角依次为$24^{\circ}$,$30^{\circ}$,$45^{\circ}$;为求$BH$,小熠同学在作业本上画了一个含$24^{\circ}$角的$\mathrm{Rt}△ TKS$(如图3),量得$KT \approx 5\,\mathrm{cm}$,$TS \approx 2\,\mathrm{cm}$。求山高$DF$。($\sqrt{2} \approx 1.41$,结果精确到$1$米)
(3)测量改进
由于测量工作量较大,同学们围绕如何优化测量进行了深入探究,有了以下新的测量方法。
如图4,5,在学校操场上,将直杆$NP$置于$MN$的顶端,当$MN$与铅垂线$NG$重合时,转动直杆$NP$,使点$N$,$P$,$D$共线,测得$∠ MNP$的度数,从而得到山顶仰角$β_1$,向后山方向前进$40$米,采用相同方式,测得山顶仰角$β_2$;画一个含$β_1$的直角三角形,量得该角对边和另一直角边分别为$a_1$厘米,$b_1$厘米,再画一个含$β_2$的直角三角形,量得该角对边和另一直角边分别为$a_2$厘米,$b_2$厘米。已知杆高$MN$为$1.6$米,求山高$DF$。(结果用不含$β_1$,$β_2$的字母表示)
答案
26. (1) $\because$ 铅直线与水平线垂直, $\therefore α + β = 90^{\circ}$. 故 $α$, $β$ 之间的数量关系为: $α + β = 90^{\circ}$; (2) 在 $Rt△ ABH$ 中, $\because AB = 40$ 米, $∠ BAH = 24^{\circ}$, $\sin ∠ BAH = \frac{BH}{AB}$, $\therefore \sin 24^{\circ} = \frac{BH}{40}$. 在 $Rt△ TKS$ 中, $\because KT \approx 5cm$, $TS \approx 2cm$, $∠ TKS = 24^{\circ}$, $\sin ∠ TKS = \frac{TS}{KT}$, $\therefore \sin 24^{\circ} = \frac{2}{5}$, $\therefore \frac{BH}{40} = \frac{2}{5}$, 解得 $BH = 16$ 米. 在 $Rt△ CBQ$ 中, $\because BC = 50$ 米, $∠ CBQ = 30^{\circ}$, $\therefore CQ = \frac{1}{2}CB = 25$ 米. 在 $Rt△ DCR$ 中, $\because CD = 40$ 米, $∠ DCR = 45^{\circ}$, $\sin ∠ DCR = \frac{DR}{CD}$, $\therefore DR = CD · \sin ∠ DCR = 40 · \sin 45^{\circ} = 20\sqrt{2}$(米). $\therefore DF = BH + CQ + DR = 16 + 25 + 20\sqrt{2} \approx 69$(米). 答: 山高 $DF$ 约为 $69$ 米; (3) 由题意, 得 $\tan β_{1} = \frac{a_{1}}{b_{1}}$, $\tan β_{2} = \frac{a_{2}}{b_{2}}$, 在 $Rt△ DNL$ 中, $\because \tan β_{1} = \frac{DL}{NL} = \frac{a_{1}}{b_{1}}$, $\therefore NL = \frac{b_{1}}{a_{1}}DL$. 在 $Rt△ DN'R$ 中, $\because \tan β_{2} = \frac{DL}{N'L} = \frac{a_{2}}{b_{2}}$, $\therefore N'L = \frac{b_{2}}{a_{2}}DL$. $\because NL - N'L = NN' = 40$(米), $\therefore \frac{b_{1}}{a_{1}}DL - \frac{b_{2}}{a_{2}}DL = 40$. 解得 $DL = \frac{40a_{1}a_{2}}{b_{1}a_{2} - b_{2}a_{1}}$, $\therefore$ 山高 $DF = DL + LF = \frac{40a_{1}a_{2}}{b_{1}a_{2} - b_{2}a_{1}} + 1.6$(米). 答: 山高 $DF$ 为 $(\frac{40a_{1}a_{2}}{b_{1}a_{2} - b_{2}a_{1}} + 1.6)$ 米.
解析
(1)$α + β = 90°$
(2)在$Rt△ ABH$中,$AB = 40$米,$∠ BAH = 24°$,$\sin 24° = \frac{BH}{AB}$。在$Rt△ TKS$中,$KT \approx 5\,\mathrm{cm}$,$TS \approx 2\,\mathrm{cm}$,$\sin 24° = \frac{TS}{KT} = \frac{2}{5}$,则$\frac{BH}{40} = \frac{2}{5}$,解得$BH = 16$米。在$Rt△ CBQ$中,$BC = 50$米,$∠ CBQ = 30°$,$CQ = \frac{1}{2}CB = 25$米。在$Rt△ DCR$中,$CD = 40$米,$∠ DCR = 45°$,$DR = CD · \sin 45° = 40 × \frac{\sqrt{2}}{2} = 20\sqrt{2}$米。$DF = BH + CQ + DR = 16 + 25 + 20\sqrt{2} \approx 16 + 25 + 20 × 1.41 = 69.2 \approx 69$米。
(3)由题意得$\tan β_1 = \frac{a_1}{b_1}$,$\tan β_2 = \frac{a_2}{b_2}$。设$DL = h$,在$Rt△ DNL$中,$NL = \frac{h}{\tan β_1} = \frac{b_1 h}{a_1}$;在$Rt△ DN'R$中,$N'L = \frac{h}{\tan β_2} = \frac{b_2 h}{a_2}$。因为$NL - N'L = 40$米,所以$\frac{b_1 h}{a_1} - \frac{b_2 h}{a_2} = 40$,解得$h = \frac{40 a_1 a_2}{b_1 a_2 - b_2 a_1}$。山高$DF = h + 1.6 = \frac{40 a_1 a_2}{b_1 a_2 - b_2 a_1} + 1.6$米。
(2)在$Rt△ ABH$中,$AB = 40$米,$∠ BAH = 24°$,$\sin 24° = \frac{BH}{AB}$。在$Rt△ TKS$中,$KT \approx 5\,\mathrm{cm}$,$TS \approx 2\,\mathrm{cm}$,$\sin 24° = \frac{TS}{KT} = \frac{2}{5}$,则$\frac{BH}{40} = \frac{2}{5}$,解得$BH = 16$米。在$Rt△ CBQ$中,$BC = 50$米,$∠ CBQ = 30°$,$CQ = \frac{1}{2}CB = 25$米。在$Rt△ DCR$中,$CD = 40$米,$∠ DCR = 45°$,$DR = CD · \sin 45° = 40 × \frac{\sqrt{2}}{2} = 20\sqrt{2}$米。$DF = BH + CQ + DR = 16 + 25 + 20\sqrt{2} \approx 16 + 25 + 20 × 1.41 = 69.2 \approx 69$米。
(3)由题意得$\tan β_1 = \frac{a_1}{b_1}$,$\tan β_2 = \frac{a_2}{b_2}$。设$DL = h$,在$Rt△ DNL$中,$NL = \frac{h}{\tan β_1} = \frac{b_1 h}{a_1}$;在$Rt△ DN'R$中,$N'L = \frac{h}{\tan β_2} = \frac{b_2 h}{a_2}$。因为$NL - N'L = 40$米,所以$\frac{b_1 h}{a_1} - \frac{b_2 h}{a_2} = 40$,解得$h = \frac{40 a_1 a_2}{b_1 a_2 - b_2 a_1}$。山高$DF = h + 1.6 = \frac{40 a_1 a_2}{b_1 a_2 - b_2 a_1} + 1.6$米。
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