Projekt 2.5 Brændpunkt og ledelinje



Relaterede dokumenter
Projekt 2.1: Parabolantenner og parabelsyning

Projekt 2.5 Brændpunkt og ledelinje for parabler

Projekt 1.4 Tagrendeproblemet en instruktiv øvelse i modellering med IT.

gudmandsen.net 1 Parablen 1.1 Grundlæggende forhold y = ax 2 bx c eksempelvis: y = 2x 2 2x 4 y = a x 2 b x 1 c x 0 da x 1 = x og x 0 = 1

Værktøjskasse til analytisk Geometri

Værktøjskasse til analytisk Geometri

Når eleverne skal opdage betydningen af koefficienterne i udtrykket:

Bjørn Felsager, Haslev Gymnasium & HF, 2003

D = 0. Hvis rører parablen x- aksen i et enkelt punkt, dvs. den tilhørende andengradsligning

Tilsvarende har vbi i kapitel 3 set, at grafen for tredjegradspolynomiet

Projekt 1.3 Brydningsloven

Projekt 1.5: Tagrendeproblemet en modelleringsøvelse!

Projekt 3.4 Fjerdegradspolynomiets symmetri

Projekt 3.1 Fjerdegradspolynomiets symmetri

Analytisk geometri. Et simpelt eksempel på dette er en ret linje. Som bekendt kan en ret linje skrives på formen

Lineære sammenhænge. Udgave Karsten Juul

Svar på sommeropgave (2019)

Vektorer i planen. Et oplæg Karsten Juul

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 10 opgaver over. , og et punkt er givet ved: P (2, 1).

Kompendium i faget. Matematik. Tømrerafdelingen. 2. Hovedforløb. Y = ax 2 + bx + c. (x,y) Svendborg Erhvervsskole Tømrerafdelingen Niels Mark Aagaard

Afstandsformlen og Cirklens Ligning

Det grafiske billede af en andengradsfunktion er altid en parabel. En parabels skæring med x-aksen kaldes nulpunkter eller rødder.

Kapitel 3 Lineære sammenhænge

Grafværktøjer til GeoMeter Grafværktøjer Hjælp Grafværktøjer.gsp Grafværktøjer

Matematikprojekt Belysning

Projekt 3.3 Linjer og cirkler ved trekanten

Opvarmningsopgaver. Gang parentesen ud: Forkort brøken: Gang parentesen ud: (1.5 + x) 2 (1 + x) 3. Forkort brøken. Gang parentesen ud: (x 0 + x) 3

Projekt 8.1 Andengradspolynomier og andengradsligningen

Hvis man ønsker mere udfordring, kan man springe de første 10 opgaver over. 1, og et punkt er givet ved: (2, 1)

Lektion 7 Funktioner og koordinatsystemer

dvs. vinkelsummen i enhver trekant er 180E. Figur 11

Matematik Aflevering - Æggebæger

Eksempler på problemløsning med differentialregning

Bedste rette linje ved mindste kvadraters metode

Arealet af en trekant Der er mange formler for arealet af en trekant. Den mest kendte er selvfølgelig

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Første del: Eksempel på en eksamensopgave løst med GeoMeter

Projekt 2.7 Parabelsyning en vej ind i moderne computerdesign

Her er et spørgsmål, du måske aldrig har overvejet: kan man finde to trekanter med samme areal?

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Projekt 7.4 Kvadratisk programmering anvendt til optimering af elektriske kredsløb

Projekt 3.5 faktorisering af polynomier

3D-grafik Karsten Juul

Undersøgelser af trekanter

VEKTORGEOMETRI del 2 Skæringer Projektioner Vinkler Afstande

Differential- regning

Projekt 4.6 Løsning af differentialligninger ved separation af de variable

Vinkelrette linjer. Frank Villa. 4. november 2014

Retningslinjer for bedømmelsen. Georg Mohr-Konkurrencen runde

Aalborg Universitet - Adgangskursus. Eksamensopgaver. Matematik B til A

Materiale sammenskrevet af:

Lærereksemplar. Kun til lærerbrug GEOMETRI 89. Kopiering er u-økonomisk og forbudt til erhvervsformål.

Løsning til øvelse 7.8, side 272: Københavns Politigård

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2016

Parabel og tangent. Illustration af opgaven Givet en parabel og et punkt. Find de tangenter til parablen, som går gennem punktet.

Introduktion til differentialregning 1. Jens Siegstad og Annegrethe Bak

Differential- ligninger

Workshop i Beregninger/Noter

VEKTORGEOMETRI del 2 Skæringer Projektioner Vinkler Afstande

qwertyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqw ertyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqwert yuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqwertyui Polynomier opåasdfghjklæøzxcvbnmqwertyuiopå

gudmandsen.net 1 Parablen C-niveau y = ax 2 bx c eksempelvis: y = 2x 2 2x 4

Projekt 4.6 Didaktisk oplæg til et eksperimenterende forløb med fokus på modellering og repræsentationsformer

2 Erik Vestergaard

Projekt 6.5 Ellipser brændpunkter, brændstråler og praktisk anvendelse i en nyrestensknuser

Differential- regning

Differentialregning ( 16-22)

Kom i gang-opgaver til differentialregning

Oversigt. funktioner og koordinatsystemer

Introduktion til den afledede funktion

GeoGebra Quickstart. det grundlæggende

cvbnmrtyuiopasdfghjklæøzxcvbnmq wertyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqw ertyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqwer tyuiopåasdfghjklæøzxcvbnmqwerty

Matematik C. Cirkler. Skrevet af Jacob Larsen 3.år HTX Slagelse Udgivet i samarbejde med Martin Gyde Poulsen 3.år HTX Slagelse.

Analytisk Geometri. Frank Nasser. 11. juli 2011

Vektorer og lineær regression

Affine transformationer/afbildninger

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

VUC Vestsjælland Syd, Slagelse Nr. 1 Institution: Projekt Trigonometri

Matematik A. 5 timers skriftlig prøve. Højere Teknisk Eksamen i Grønland maj 2009 GLT091-MAA. Undervisningsministeriet

GeoGebra. Tegn følgende i Geogebra. Indsæt tegningen fra geogebra. 1. Indsæt punkterne: (2,3) (-2, 4) (-3, -4,5)

Løsninger til eksamensopgaver på B-niveau maj 2016: Delprøven UDEN hjælpemidler 4 4

Noter til læreren side 1 I Trinmål for faget matematik står der bl.a.

Projekt 6.7. Beviser for Pythagoras sætning - og konstruktion af animationer

MATEMATIK ( 5 h ) DATO: 4. juni 2010

Differentialregning. Ib Michelsen

Egenskaber ved Krydsproduktet

For at få tegnet en graf trykkes på knappen for graftegning. Knap for graftegning

1gma_tændstikopgave.docx

Formålet med dette forsøg er at lave en karakteristik af et 4,5 V batteri og undersøge dets effektforhold.

1 Oversigt I. 1.1 Poincaré modellen

Differentialregning. Supplerende opgaver til HTX Matematik 1 Nyt Teknisk Forlag. Opgaverne må frit benyttes i undervisningen.

Projekt 4.6 Didaktisk oplæg til et eksperimenterende forløb med fokus på modellering og repræsentationsformer

Løsninger til eksamensopgaver på B-niveau 2017

M A T E M A T I K. # e z. # a. # e x. # e y A U E R B A C H M I K E. a z. a x

Undersøge funktion ved hjælp af graf. For hf-mat-c.

1.1.1 Første trin. Læg mærke til at linjestykket CP ikke er en cirkelbue; det skyldes at det ligger på en diameter, idet = 210

Løsninger til eksamensopgaver på B-niveau 2015

Geometrinoter 2. Brahmaguptas formel Arealet af en indskrivelig firkant ABCD kan tilsvarende beregnes ud fra firkantens sidelængder:

Transformationsgeometri: Inversion. Kirsten Rosenkilde, august Inversion

Logaritmiske koordinatsystemer med TI-Nspire CAS version 3.6

Projekt 3.7. Pythagoras sætning

Transkript:

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje En af de vigtigste egenskaber ved en parabel er dens brændpunkt og en af parablens vigtigste anvendelser er som profilen for en parabolantenne, der opsamler et mylder af fx tv-kanaler ude fra satellitter, der kredser rummet omkring Jorden. I dette projekt vil vi kigge nærmere på parablens brændpunkt, herunder en simpel geometrisk karakterisering af parablen, der på mange måder er beslægtet med parabelsyningen. For nu at eftervise at der rent faktisk er tale om en parabel, indlægger vi et koordinatsystem og viser at den parabellignende kurve får ligningen y a x, der jo er vores definition på en parabel. Hvis der er givet et brændpunkt F (Focus) og en ledelinje l (som ikke indeholder brændpunktet) kan man konstruere en parabellignende kurve som det geometriske sted for de punkter Q, hvor afstanden til brændpunktet F er den samme som afstanden til ledelinjen l, dvs. QF = Ql. Vi vil nu udføre konstruktionen i detaljer som et klassisk geometrisk sted, hvor Q altså drives af et uafhængigt punkt P. Vi lægger P som et frit punkt på ledelinjen. VI ønsker nu at konstruere det tilhørende punkt Q på normalen n til ledelinjen: Afstanden mellem Q og P er da netop den samme som afstanden fra Q til ledelinjen l. Vi skal nu blot sørge for at Q kommer til at ligge lige langt fra P og F. Men det betyder jo at Q ligger på midtnormalen m til linjestykket PF. Der hvor midtnormalen til PF skærer normalen n til ledelinjen i P finder vi derfor netop det søgte punkt Q. Trækker vi i det uafhængige punkt P vil det afhængige punkt Q nu gennemløbe en parabellignende kurve og udnytter vi værktøjet Geometrisk sted/locus i værktøjsprogrammet får vi tegnet kurven, som Q gennemløber i ét hug. Øvelse 1: a) Gennemfør den ovenstående konstruktion og argumenter for at kurven må være symmetrisk omkring normalen gennem brændpunktet F. Den kaldes kurvens symmetriakse. b) Midtpunktet T mellem brændpunktet F og ledelinjen l kaldes kurvens toppunkt. Kaldes brændpunktets fodpunkt på ledelinjen for G er toppunktet T altså netop midtpunktet mellem F og G. 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk 1

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje c) De to kvadrater med siden FG har blandt de øvrige hjørnepunkter to punkter på kurven S 1 og S (argumentér for dette!). De kaldes kurvens skulderpunkter. Afstanden mellem de to skulderpunkter kaldes kurvens bredde p. d) Indlæg nu konstruktionen i et koordinatsystem med toppunktet T som begyndelsespunktet (0,0) og brændpunktet F på y-aksen. Hvilke koordinater får da skulderpunkterne S 1 og S. Hvad bliver ligningen for den parabel, der går gennem toppunktet og de to skulderpunkter? Tegn denne parabel! Konklusion? Trin 1: Beviset for at kurven er en parabel Hvis du har gennemført den foregående øvelse har du allerede en god ide om hvordan vi kan bevise at kurven er en parabel. Vi gennemfører nu beviset i nogen detalje: Vi indlægger et koordinatsystem med begyndelsespunkt i toppunktet T midtvejs mellem brændpunktet og ledelinjen og brændpunktet F på y-aksen. Brændpunktet F får da koordinaterne (0,p/4) og ledelinjen l får ligningen y = - p/4. Her er p kurvens bredde. Du kan evt. eftervise at den netop svarer til bredden af et parabelsnit gennem brændpunktet F parallelt med ledelinjen l. Det afgørende for os er alene at y- koordinaterne for brændpunktet F og ledelinjen l er lige store med modsat fortegn. Vi skal nu finde passende udtryk for brændpunktafstanden FQ og ledelinjeafstanden Ql. Hvis Q ligger på kurven skal disse to afstanden netop være lige store. 1. Det nemmeste er ledelinjeafstanden: Q har afstanden y ned til x-aksen og derefter yderligere afstanden p/4 ned til ledelinjen. Ledelinjeafstanden er derfor givet ved y + p/4.. Ser vi derefter på brændpunktafstanden kan vi som vist på figuren udnytte Pythagoras sætning: Den vandrette katete er x og den lodrette er y p/4 (i det brændpunktet ligger p/4 over x-aksen). Vi får da: p FQ x y 4 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje. Sammenholder vi de to fundne udtryk for afstandene fås nu: FQ Ql p p x y y 4 4 1 p 1 p x y p y y p y 16 16 1 1 x p y p y x p y 1 y x p (Argumenter for de ovenstående omskrivninger). Altså har kurven netop ligningen y a x med a 1! Der er derfor tale om en parabel. p Trin : Midtnormalen som en tangent Hvis man har prøvet trække i punktet P kan man ikke have undgået at bemærke at midtnormalen glider langs parablen, altså at den må være en tangent. Men hvordan kan vi vise det? Hvis man kan lidt differentialregning er det ikke så svært, men parabeltangenter har været kendt siden grækerne indførte keglesnittene, så her vil vi prøver at argumentere rent geometrisk. Vi skal da vise at midtnormalen kun rører parablen, dvs. ud over røringspunktet Q har den ingen punkter fælles med parablen. Vi starter med at bemærke at Parablen deler planen i to dele: Det indre område (der indbefatter brændpunktet) og det ydre område (der indbefatter ledelinjen). Det er nemt at karakterisere disse to områder ved hjælp af brændpunktafstanden og ledelinjeafstanden: 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk 3

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje Sætning: Opdelingen af en plan ved hjælp af en parabel med brændpunkt F og ledelinje l. a) Et punkt R ligger indenfor parablen, hvis brændpunktafstanden er mindre end ledelinjeafstanden, dvs. hvis FR < Rl. b) Et punkt R ligger på parablen, hvis brændpunktafstanden netop er lige så stor som ledelinjeafstanden, dvs. hvis FR = Rl. c) Et punkt R ligger udenfor parablen, hvis brændpunktafstanden er større end ledelinjeafstanden, dvs. hvis FR > Rl. Øvelse : Prøv selv at argumentere for sætningen ud fra en tegning. Vi viser nu at midtnormalen er en tangent ved at vise at alle punkterne bortset fra røringspunktet Q ligger udenfor parablen. Vi ser altså på et punkt R på midtnormalen m der er forskelligt fra røringspunktet som vist på figuren. Vi indfører også fodpunktet S på ledelinjen, som den vinkelrette projektion af R på l. Vi ved da at afstandene FR og RP er lige store, fordi R ligger på midtnormalen. Vi ved også at RS er mindre end RP, fordi den vinkelrette afstand er den korteste. Altså er ledelinjeafstanden RS kortere end brændpunktsafstanden FR. Det viser netop, at R er et ydre punkt. Øvelse 3: 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk 4

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje Indfør nu igen et koordinatsystem med toppunktet T som begyndelsespunkt og brændpunktet F på y-aksen. I dette koordinatsystem har parablen ligningen y a x. a) Gør rede for at midtpunktet M for linjestykket FP nødvendigvis må ligge på x-aksen og at midtnormalen derfor halverer stykket TU på x-aksen, dvs. M har koordinaterne (x 0 /,0). Gør tilsvarende rede for at midtnormalen skærer y-aksen lige så langt under x-aksen, som Q ligger over x-aksen, dvs. V har koordinaterne (0,-y 0 ). b) Gør rede for at midtnormalen, dvs. tangenten, derfor må have ligningen y a x x a x 0 0 Hvis du kender lidt til differentialregning, kan du kontrollere den funde tangentligning ved hjælp af differentialregning! Mellemspil: Parabolantenner og andre sjove anvendelser af parabler Med tangenten på plads er vi nu klar til at forklare, hvorfor det hedder et brændpunkt (et navn indført af Kepler!) og en af de allervigtigste anvendelser af parabler i form af parabolantenner, der har form som omdrejningsparaboloider. Øvelse 4: a) Gennemfør igen konstruktionen af parablen ud fra dens brændpunkt F og dens ledelinje l. b) Forestil dig nu at vi sender en lysstråle ind fra oven langs parablens symmetriakse som rammer parablen indefra i punktet Q. Hvis parablen er belagt med et reflekterende materiale, vil lysstrålen spejles i parablen, dvs. i tangenten for parablen. c) Konstruer den spejlede stråle, idet du spejler til normalen gennem Q, dvs. den linje gennem Q, der står vinkelret på tangenten. Træk i punktet P: Hvad observerer du? d) Prøv nu at forklare, hvorfor den spejlede stråle nødvendigvis må opfører sig sådan, idet du inddrager at tangenten også er en midtnormal. Ifølge spejlingsloven er indfaldsvinklen det samme som udfaldsvinklen, så du skal have fat i et ræsonnement omkring passende vinkler på figuren Øvelse 5: Gå på nettet og find passende anvendelser af det ovenstående princip, ved at søge på fx whispering gallery (sådan et har de på eksperimentariet), Burning mirrors, Parabolic antenna osv. 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk 5

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje Tredje trin: Parablen som en indhylningskurve. Hvis du tegner midtnormalerne som en familie af grafer (eller ved at spore midtnormalen) kan man se at parablen fremstår som en indhylningskurve! Hvis du får deja vu og synes det minder dig om parabelsyningen, så er det ikke noget tilfælde. Her blev parablen jo også syet ved hjælp af tangenter! Vi vil nu undersøge nærmere hvorfor det er tilfældet. Røringspunktet Q er netop skæringspunktet mellem midtnormalerne hørende til x-værdierne x 0 og x 0 + h når linjerne smelter sammen (h=0). Strengt taget kan midtnormalerne selvfølgelig ikke have et skæringspunkt, når først de er smeltet sammen. Men ideen er altså at vi lader dem skære hinanden før de smelter sammen, og så viser at dette skæringspunkt smelter sammen med røringspunktet Q, når de to midtnormaler smelter sammen. Den præcise betydning vil fremgå af udregningerne. Øvelse 6: a) Opret et diagram som tidligere med brændpunkt og ledelinje i et koordinatsystem, hvor F = (0,1) og T = (0,0) samt et frit punkt P på ledelinjen med x-koordinaten x 0 og det tilhørende grafpunkt Q på 1 parablen med ligningen y x. 4 b) Tilføj en skyder for h. Afsæt også punktet P h på ledelinjen med x-koordinaten x 0 +h. c) Konstruér nu begge midtnormalerne hørende til P og P h, samt deres skæringspunkt Q h. d) Træk nu i h-skyderen: Hvad sker der når du trækker i h-skyderen, så den rammer h = 0? Konklusion? 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk 6

Projekter. Kapitel. Projekt.5 Brændpunkt og ledelinje Vi skal altså have fat i skæringen mellem to rette linjer. Vi kan selvfølgelig kværne det gennem vores CASværktøj, men for overskuelighedens skyld lægger vi ud med en simpel bemærkning om hvordan man finder skæringspunkter mellem to rette linjer: y a x b y a1 x b1 a x b a x b Øvelse 7: 1 1 a x a x b b 1 1 a a x ( b b ) 1 1 b b1 b x a a a 1 a) Gør rede for detaljerne i den ovenstående udregning! Det giver anledning til den følgende sætning: Hjælpesætning: Skæring mellem linjerne y a1 x b1 og y a x b. Førstekoordinaten til skæringspunktet mellem linjerne y a1 x b1 og y a x ber givet ved hvor b b b1 og a a a1. b x, a Øvelse 8: b) Opskriv udtrykkene for hældningerne a x0 og a x0 +h og udregn tilvæksten a. c) Opskriv udtrykkene for konstantleddene b x0 og b x0 +h og udregn tilvæksten b. d) Benyt nu den ovenstående sætning til at bestemme skæringspunktets x-koordinat. e) Lad nu de to linjer smelte samme ved at sætte h = 0. Hvad bliver x-koordinaten så? Konklusion? 013 L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: 43503030 Email: info@lru.dk 7