Краткое содержание
В этом уроке угол между двумя прямыми плоскости измеряется средствами тригонометрии. Урок определяет угол наклона прямой и доказывает, что его тангенс равен угловому коэффициенту; с помощью формулы тангенса разности находит тангенс угла между двумя прямыми по их угловым коэффициентам, откуда как частный случай получается условие перпендикулярности, а с помощью скалярного произведения даёт второе выражение, верное и для вертикальных прямых, согласованность которого с первым есть тождество Лагранжа. Затем биссектрисы двух прямых описываются как геометрическое место точек, равноудалённых от этих прямых; доказывается, что они перпендикулярны, и с их помощью находятся центр вписанной окружности и вписанная окружность треугольника. В заключение собраны приложения: высота недоступной точки по теореме синусов, гармоническое колебание как тень равномерного движения по окружности, дальность полёта снаряда, которая максимальна при и одинакова для дополнительных углов, и закон отражения как свойство кратчайшего пути.
Цели обучения
- Вычислять угол наклона прямой и угол между двумя прямыми по их угловым коэффициентам или направляющим векторам и распознавать параллельность и перпендикулярность как крайние случаи.
- Получать уравнения биссектрис двух прямых как геометрического места равноудалённых точек, выбирать биссектрису внутреннего угла треугольника и находить центр вписанной окружности и саму вписанную окружность.
- Решать задачи на высоты и расстояния с углами возвышения и понижения, сочетая теорему синусов с формулами синуса суммы и разности.
- Описывать тригонометрическими функциями гармоническое колебание, дальность полёта снаряда и отражение света и выводить их свойства из тождеств этого раздела.
Угол наклона прямой
В уроке курса I об уравнении прямой направление невертикальной прямой измерялось числом, её угловым коэффициентом, и было доказано, что две невертикальные прямые перпендикулярны тогда и только тогда, когда произведение их угловых коэффициентов равно . Это условие распознаёт один особый угол, прямой, не измеряя никакого угла. В уроке о тригонометрических отношениях было показано, кроме того, что тангенс угла равен угловому коэффициенту прямой, содержащей его конечную сторону. Если это так, то угловой коэффициент есть тангенс некоторого угла, и углы между прямыми должны вычисляться средствами тригонометрии.
Углом наклона прямой называется угол , где , который образует положительная полуось абсцисс с прямой, отсчитываемый против часовой стрелки от оси к прямой. Горизонтальные прямые имеют угол наклона , а вертикальные имеют угол наклона .
Точнее, прямая, проведённая через начало координат параллельно данной, содержит конечную сторону некоторого угла , а также угла , поскольку точки и единичной окружности диаметрально противоположны; ровно один из углов вида лежит в , и он и есть угол наклона. Две прямые параллельны или совпадают тогда и только тогда, когда у них один и тот же угол наклона, поскольку тогда, и только тогда, у них одна и та же параллельная прямая через начало координат.
Прямая с углом наклона вертикальна тогда и только тогда, когда ; если она не вертикальна, её угловой коэффициент равен тангенсу её угла наклона. Обратно, угол наклона прямой с угловым коэффициентом равен , если , и равен , если .
Всё видно на прямой, проведённой через начало координат параллельно данной: она содержит точку единичной окружности. На рисунке взяты прямые и .
Доказательство
Пусть есть прямая с углом наклона , и пусть есть параллельная ей прямая через начало координат. По определению угла наклона содержит конечную сторону угла , и в частности точку ; если не вертикальна, то имеет тот же угловой коэффициент, поскольку параллельные прямые имеют одинаковые угловые коэффициенты, согласно уроку курса I об уравнении прямой. На рисунке .
Прямая вертикальна тогда и только тогда, когда две её точки имеют одинаковую абсциссу, то есть когда . На единственный нуль косинуса есть ; а вертикальна ровно тогда, когда вертикальна параллельная ей прямая.
Если не вертикальна, её угловой коэффициент равен угловому коэффициенту , то есть отношению разности ординат к разности абсцисс двух её точек.
Обратно, пусть есть угловой коэффициент . По только что доказанному угол наклона есть угол из с тангенсом . Согласно уроку о тригонометрических уравнениях, углы с тангенсом суть числа , и ровно одно из них лежит в : так как лежит в , этот угол равен , если , и равен , если . На рисунке прямая имеет угол наклона .
Например, прямая имеет угол наклона , а прямая имеет угол наклона . Знак углового коэффициента отличает, таким образом, возрастающие прямые, с острым углом наклона, от убывающих, с тупым углом наклона.
Загрузка содержимого…