例 1 如图 6-3-1,在 中,已知 , . 求 与 的长. (结果精确到 )

图 6-3-1
学生阅读版 / 沪教版高中数学
必修第二册
第6章三角 · 保留教材主线与原题
教材与正式教参整合
例如,某林场为了及时发现火情,设立了两个观测点 和 . 某日两个观测点的林场人员都观测到 处出现火情. 在 处观测到火情发生在北偏西 方向,而在 处观测到火情在北偏西 60° 方向. 已知 在 的正东方向 处 (图 6-3-1),要确定火场 分别距 及 多远. 将此问题转化为数学问题: 在 中,已知 . 求 与 的长.
为解答这个斜三角形问题, 就要研究斜三角形中边与角之间的关系.
在 中,无论 为锐角、直角还是钝角,对边 上的高 ,都有 ,其中 为边 的长. 为了避免分类讨论, 我们借助平面直角坐标系来统一处理.
如图 6-3-2,以 的顶点 为坐标原点,边 所在直线为 轴,建立平面直角坐标系. 将角 及 所对边的边长分别记作 及 ,则点 的坐标分别为 及 ,而 的面积 . 同理可得 .

图 6-3-2
本章以后若不特别说明,在 中角 所对边的边长都分别记作 、 .
将上式同时除以 ,就得到
即
这样,我们就得到了正弦定理: 在 中,若角 及 所对边的边长分别为 及 ,则有
正弦定理是“大角对大边”这一几何性质的定量刻画.
例 1 如图 6-3-1,在 中,已知 , . 求 与 的长. (结果精确到 )

图 6-3-1
例 2 已知圆 是 的外接圆,其圆心为 ,直径为 . 试用 与角 及 的正弦来表示三角形三边的边长 及 .

图 6-3-3
例 3 设 是 的外接圆的半径, 为 的面积. 求证:
(1) ;
(2) .
正弦定理刻画了三角形中边与角的正弦之间的关系. 那么, 三角形中边与角的余弦之间存在什么关系呢?
在图 6-3-2 中, 由两点间的距离公式, 得
两边平方, 得
即
同理可得
这样,我们就得到了余弦定理: 在 中,设角 及 所对边的边长分别为 及 ,则有
余弦定理也可以表示成如下形式:
将余弦定理用于直角三角形, 立即可得勾股定理. 因此, 勾股定理可视为余弦定理的特例. 正弦定理和余弦定理都定量刻画了三角形的边角关系, 是求解三角形的基本工具. 我们已在上节例 1 中应用正弦定理处理了已知两角和一边求解三角形其他元素的问题,现在再来研究其他情况.
例 4 在 中,已知 . 求 及 .
例 5 在 中,已知 . 求 及 .
例 4 中,如果用正弦定理求出 , 如何判断 ?
例 6 在 中,已知 . 求角 的余弦值和 的面积 .
例 7 在 中,已知 ,且 . 求证: 为等边三角形.
例 8 在 中,已知 , ,且三角形面积 . 求 .
例 9 根据下列条件,分别求角 :
(1)已知 ;
(2)已知 ;
(3)已知 .
(1) ;
(2) .
(1) ; (2) ;
(3) ; (4) .
解三角形在实际生活中, 尤其是在测量方面, 有着广泛的应用. 下面通过一些实例来体会解三角形在测量上的应用.

例 10 金茂大厦是改革开放以来上海出现的超高层标志性建筑. 有一位测量爱好者在与金茂大厦底部同一水平线上的 处测得金茂大厦顶部 的仰角为 ,再向金茂大厦前进 到达 处,测得金茂大厦顶部 的仰角为 . 请根据以上数据估算出金茂大厦的高度. (结果精确到 )

图 6-3-4
例 11 甲船在距离 港口 24 海里并在南偏西 方向的 处驻留等候进港,乙船在 港口南偏东 方向的 处沿直线行驶入港,甲、乙两船距离为 31 海里. 当乙船行驶 20 海里到达 处时,接到港口指令,前往救援忽然发生火灾的甲船. 求此时甲、乙两船之间的距离.

图 6-3-5

(第 3 题)
(1) ;
(2) .

(第 10 题)
(1)求 ;
(2)求 的面积 .
(1) ; (2) ;
(3) .

(第 8 题)
(1) ;
(2) .
我国南宋著名数学家秦九韶也独立发现了与海伦公式等价的公式, 但其证明已经失传. 他在著作《数书九章》卷五“田域类”里指出 “问有沙田一段,有三斜. 其小斜十三里, 中斜十四里,大斜十五里,里法三百步,其田几何”,给出的解法为 “以小斜幂并大斜幂减中斜幂,余半之自乘于上,以小斜幂乘大斜幂减上,余四约之,为实. 一为从隅,开平方得积”. 即是说,记三百步为一里,以里为单位, ,面积可由公式 得出,这就是著名的 “三斜求积” 公式. 秦九韶还对一次同余式组、高次方程的数值解法、线性方程组等都有深入研究, 因此美国科学史家萨顿 (G. Sarton)评价他为“他那个民族,那个时代,并且确实也是所有时代最伟大的数学家之一”.
利用三角形面积公式和余弦定理证明海伦公式和“三斜求积”公式虽有一定难度,但揭示海伦公式和“三斜求积”公式的等价性并不是太困难,希望同学们加以探究.