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1.4 点到直线的距离
教学重点
本节的教学重点在于让学生掌握点到直线的距离的公式, 并了解公式的推导过程, 体验数形结合的思想和向量方法的应用.
内容分析
给定平面上的一个点和一条直线, 几何上关心的问题自然是: (1) 点是否在直线上? (2)如果点不在直线上, 它到直线的距离是多少? 解析几何中在相同的条件下我们关心的依然是这两个问题, 不过给定条件和问题答案必须用点的坐标和直线的方程来描述. 也就是说, 给定的条件是一个点的坐标和一条直线的方程, 上述问题 (1) 的判断在 1.2 节已有回答: 点在直线上当且仅当点的坐标满足直线的方程. 当点不在直线上时, 如何用点的坐标和直线的方程表示出点到直线的距离, 这是本节要解决的问题. 于是,设给定直线 不同时为零 和直线外一点 , ,要求点 与直线 的距离.
学习了平面几何和解析几何的学生很自然的想法是写出过点 并垂直于直线 的直线 的方程,求直线 与已知直线 交点 的坐标,再求线段 的长度 . 这肯定是可行的解决问题方案. 教材没有对这个方案提供细节,只说计算量比较大, 然后转到向量方法. 这里就这个方案提供一个完整的解题过程, 包括其中一些技巧性的提示, 供教师参考.
因为 ,所以所有垂直于直线 的直线具有法向量 , 直线 的点法式方程为 . 这样,点 的坐标是方程组
的解. 考虑到要计算的是 ,不妨把上述方程组整理成关于未知数 与 的二元一次方程组,得
又容易看出,把两个方程两侧分别平方后相加,关于未知数的项只有 与 的平方项, 即有
这与我们所希望的结果在形式上很接近. 点 的坐标满足这个方程,所以
此式两边开平方, 得
⑧
上述解法主体是纯代数的,但在求直线 的方程时还是用了直线的法向量和点法式方程 (当然, 这也是可以回避的, 但我们要从源头上去绕圈子了. 这似乎对我们本节课的学习没有更多的启迪).
本册教材没有采用前面的计算,而是把求 的问题转化为求 与法向量 的数量积的问题: 由于 ,因此 ,从而
后续的推导也给出了公式 ⑧.
本节有 3 道例题.
注意事项
- 教材推导公式 ⑧ 时用了垂足 ,但这个垂足条件不是本质需要的,只是承接上一段的论述信手拈来,便于学生理解罢了. 事实上,在直线 上任取一点 来代替垂足 ,同样可以得出 (但 一般是不成立的),不过其理由变成了点 到直线 的距离 是向量 (其中点 在直线 上)在 的法向量 方向上投影的模. 根据向量投影的公式 (必修第二册第 106 页) 和向量的数量积的定义 (必修第二册第 107 页),可得 在 方向上投影是
于是 等于它的模,即
再用点 的坐标 代替点 的坐标 就可仿照教材进行后续推导,得到公式⑧.
这里的 ,或者更一般地,对直线 上的任意两点 与 ,都可得到 ,这在向量理论中是很容易理解的,这是因为 ,而 ,从而
-
在分析和推导点到直线的距离公式中, 要充分尊重学生的思维过程, 提倡通性通法, 鼓励发散性思维, 不否定和排斥用设方程、解方程组的方法求垂足的坐标, 再求点到直线距离的方法; 不排斥结合几何图形, 用一些几何的方法求点到直线的距离公式.
-
与“二期课改”教材不同的是,本册教材不要求学习点到直线的有向距离公式, 即 . 教师不必纠缠于此主题.
教学建议
本节课题的引入,可以创设生活情境,从生活中需要计算的点到直线的距离开始; 也可以从数学的角度提出,在平面直角坐标系中,因为坐标 确定一个点 (设为 ),关于 的二元一次方程 确定一条直线 (设为 ),所以一定可以用 来表示点 到直线 的距离; 还可以从特殊到一般,由具体到抽象. 如何选择, 由学生的认知基础决定.
建议将距离公式的推导设计成一个探索过程, 教师和学生一起经历. 可以从学生最容易想到的解方程组入手. 参考“内容分析”部分所给的解方程过程,引导学生进行未知数的替换, 并探索捷径走向我们的目标. 可以设想, 如果要求未知数的解, 再作平方和及开平方以计算距离, 势必非常复杂和冗长. 让学生在教师指导下实践把过程的中间结果和目标相比, 从而接近目标、达到目标, 享受灵活解题的乐趣.
用向量的数量积方式推导公式素材的选取可以有弹性. 可以根据学生的条件在 “垂足”(教材中的方法) 和直线上任意点 (“注意事项”之 1 ) 中选择一种加以处理. 如果学生有足够的余力, 可以从特殊到一般, 两种情况都讲, 并体会其中的思维发展, 复习向量的有关知识.