三角函数模型及其应用

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解析 依题意是求函数 s=6sin2πt+π6 的周期,T=22π π=1 s. 答案 1
4.某人的血压满足函数关系式f(t)=24sin 160πt+110,其中,f(t)为血压,t为时间,则 此人每分钟心跳的次数是________. 解析 ∵T=1260ππ=810,∴f=T1=80.
解析 直接将 t=2100代入计算即可. 当 t=2100时,I=5sin100π×2100+π3 =5sin 5π 6 =52.
答案
5 2A
3.如图,单摆从某点开始来回摆动,离开平衡位置 O 的距离 s cm 和时间 t s 的函数关系 式为 s=6sin2π t+π6 ,那么单摆来回摆动一次所需的时间为________ s.
描点、连线并向左右扩展得到函数p(t)的简图如图所示: (4)由图可知此人的收缩压为140 mmHg,舒张压为90 mmHg.
规律方法 解三角函数应用问题的基本步骤
【训练2】 如图所示,游乐场中的摩天轮匀速转动,每转动一圈需要12分钟,其中心 O距离地面40.5米,半径为40米,如果你从最低处登上摩天轮,那么你与地面的距 离将随时间的变化而变化,以你登上摩天轮的时刻开始计时,请回答下列问题:
时刻 9:00 12:00 15:00
水深(米) 2.5 5.0 7.5
时刻 18:00 21:00 24:00
水深(米) 5.0 2.5 5.0
(1)选用一个函数来近似描述这个港口的水深与时间的函数关系,并给出整点时的水深 的近似数值(精确到0.001). (2)一条货船的吃水深度(船底与水面的距离)为4米,安全条例规定至少要有1.5米的安全 间隙(船底与洋底的距离),该船何时能进入港口?在港口能呆多久? (3)若某船的吃水深度为4米,安全间隙为1.5米,该船在2:00开始卸货,吃水深度以每 小时0.3米的速度减少,那么该船在什么时间必须停止卸货,将船驶向较深的水域?
解 (1)以时间为横坐标,水深为纵坐标,在直角坐标系中画出散点图,根据图象,可 以考虑用函数y=Asin(ωx+φ)+h来刻画水深与时间之间的对应关系.从数据和图象可以 得出:
A=2.5,h=5,T=12,φ=0;
由 T=2ωπ =12,得 ω=π6 .
所以,这个港口的水深与时间的关系可以近似描述为:
【训练 1】 交流电的电压 E(单位:V)与时间 t(单位:s)的关系可用 E=220 3sin100π t+π6 来 表示,求:
(1)开始时电压; (2)电压值重复出现一次的时间间隔; (3)电压的最大值和第一次获得最大值的时间.
解 (1)当 t=0 时,E=110 3(V),即开始时的电压为 110 3 V.
解析 该质点的振动周期为T=2×(0.7-0.3)=0.8 s,故①是错误的;该质点的振幅 为5 cm,故②是错误的;该质点在0.1 s和0.5 s时的振动速度是零,所以③是错误的; ④正确. 答案 ④
2.电流 I(A)随时间 t(s)变化的关系是 I=5sin100π t+π3 ,则当 t=2100时,电流 I 为________.
解 (1)利用“五点法”可作出其图象(列表略).
(2)因为当 t=0 时,s=6sin
π 6
=3,所以此时离开平衡位置
3
cm.
(3)离开平衡位置6 cm.
(4)因为 T=22ππ =1,
所以单摆来回摆动一次所需的时间为1 s.
规律方法 三角函数模型在物理中的应用主要体现在简谐运动中,其中对弹簧振子 和单摆的运动等有关问题考查最多,尤其要弄清振幅、频率、周期、平衡位置等物 理概念的意义和表示方法.
依题意选②y=Acos(ωt+φ)+b作为函数模型,
∴A=2.4-2 0.6=0.9,b=2.4+2 0.6=1.5, ∵T=2ωπ =12,∴ω =π6 , ∴y=0.9cosπ6 t+φ+1.5. 又∵函数 y=0.9cosπ6 t+φ+1.5 的图象过点(3,2.4), ∴2.4=0.9×cosπ6 ×3+φ+1.5 ∴cosπ2 +φ=1,
y=2.5sin
π 6
x+5,
由上述关系式易得港口在整点时水深的近似值:
时刻 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 水深 5.000 6.250 7.165 7.5 7.165 6.250 5.000 3.754 2.835 2.500 2.835 3.754 时刻 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 水深 5.000 6.250 7.165 7.5 7.165 6.250 5.000 3.754 2.835 2.500 2.835 3.754
(1)求出你与地面的距离y(米)与时间t(分钟)的函数关系式; (2)当你第4次距离地面60.5米时,用了多长时间?
解 (1)可以用余弦函数表示该函数的关系式,由已知可设 y=40.5-40cos ω t,t≥
0,由周期为 12 分钟可知当 t=6 时,摩天轮第 1 次到达最高点,即此函数第 1 次取
答案 80
5.如图是一向右传播的绳波在某一时刻绳子各点的位置图,经过12周期后,乙的位置 将移至________.
解析 相邻的最大值与最小值之间间隔半个周期,故乙移至最高点. 答案 最高点
知识梳理
1.解三角函数模型应用问题的一般步骤是:
(1)分析:理解题意,分清已知与未知,画出示意图. (2)建模:根据已知条件与求解目标,建立数学模型. (3)求解:利用三角形,求得数学模型的解. (4)检验:检验上述所求的解是否符合实际意义,从而得出实际问题的解.
考点三 三角函数模型的拟合应用
【例3】 海水受日月的引力,在一定的时候发生涨落的现象叫潮,一般地,早潮叫潮, 晚潮叫汐.在通常情况下,船在涨潮时驶进航道,靠近船坞;卸货后,在落潮时返 回海洋,下面是某港口在某季节每天的时间与水深的关系表:
时刻 0:00 3:00 6:00
水深(米) 5.0 7.5 5.0
(2)货船需要的安全水深为4+1.5=5.5(米),所以y≥5.5时就可以进港.
令 2.5sin
π 6
x+5=5.5,化简得
sin
π 6
x=0.2,
由计算器计算可得π6 x≈0.201 4,或π -π6 x≈0.201 4.
解得xA≈0.384 8,xB≈5.615 2. 因为x∈[0,24],所以有函数周期性易得 xC≈12+0.384 8=12.384 8 xD≈12+5.615 2=17.615 2. 因此,货船可以在凌晨零时30分左右进港,早晨5时30分左右出港;或在中午12时 30分左右进港,下午17时30分左右出港,每次可以在港口停留5小时左右. (3)设在时刻x船舶的安全水深为y,那么y=5.5-0.3(x-2)(x≥2),在同一坐标系内 作出这两个函数的图象,可以看到在6时到7时之间两个函数图象有一个交点.
∴2kπ -π6 ≤π6 t≤2kπ +76π(k∈Z), ∴12k-1≤t≤12k+7(k∈Z), 又∵5≤t≤18, ∴5≤t≤7或11≤t≤18, ∴这一天可以安排早上5点至7点以及11点至18点的时间段组织训练,才能确保集训 队员的安全.
∴sin φ=-1, 又∵-π<φ<0,∴φ=-π2, ∴y=0.9cosπ6 t-π2 +1.5=0.9sinπ6 t+1.5. (2)由(1)知:y=0.9sinπ6 t+1.5, 令 y≥1.05,即 0.9sinπ6 t+1.5≥1.05, ∴sinπ6 t≥-12,
(2)T=120π0π =510(s),即时间间隔为 0.02 s. (3)电压的最大值为 220 3 V,当 100π t+π6 =π2 ,即 t=3100 s 时第一次取得最 大值.
考点二 三角函数模型在实际生活中的应用
【例2】 心脏跳动时,血压在增加或减少,血压的最大值、最小值分别称为收缩压 和舒张压,血压计上的读数就是收缩压和舒张压,读数120/80 mmHg为标准值.设 某人的血压满足函数式p(t)=115+25sin 160πt,其中p(t)为血压(mmHg),t为时间 (min),试回答下列问题: (1)求函数p(t)的周期; (2)求此人每分钟心跳的次数; (3)画出函数p(t)的草图; (4)求出此人的血压在血压计上的读数.
解 (1)由于 ω=160π ,代入周期公式 T=2|ωπ|,可得 T=126π0π =810(min),所以函数 p(t) 的周期为810 min. (2)每分钟心跳的次数即为函数的频率 f=T1=80(次).
(3)列表:
t
0
1 320
1 160
3 320
1 80
p(t) 115 140 115 90 115
【训练3】 平潭国际“花式风筝冲浪”集训队,在平潭龙凤头海滨浴场进行集训,海 滨区域的某个观测点观测到该处水深y(米)是随着一天的时间t(0≤t≤24,单位:小 时)呈周期性变化,某天各时刻t的水深数据的近似值如下表:
t(时) y(米)
0
3
6
9 12 15 18 21 24
1.5 2.4 1.5 0.6 1.4 2.4 1.6 0.6 1.5
2.解题流程:
考点一 三角函数模型在物理中的应用
【例 1】 单摆从某点开始来回摆动,离开平衡位置的距离 s (单位:cm)和时间 t (单位:s) 的函数关系式为 s=6sin2π t+π6 .
(1)作出函数的图象; (2)当单摆开始摆动(t=0)时,离开平衡位置的距离是多少? (3)当单摆摆动到最右边时,离开平衡位置的距离是多少? (4)单摆来回摆动一次需多长时间?
通过计算可得在6时的水深约为5米,此时船舶的安全水深约为4.3米;6.5时的水深 约为4.2米,此时船舶的安全水深约为4.1米;7时的水深约为3.8米,而船舶的安全 水深约为4米,因此为了安全,船舶最好在6时30分之前停止卸货,将船舶驶向较深 的水域.
规律方法 (1)三角函数模型在实际中的应用体现在两个方面,一是已知函数模型, 利用三角函数的有关性质解决问题,其关键是准确理解自变量的意义及其变量与函 数之间的对应法则;二是把实际问题抽象转化成数学问题,建立三角函数模型,再 利用三角函数的有关知识解决问题,其关键是建模. (2)三角函数模型的拟合应用 我们可以利用搜集到的数据,作出相应的“散点图”,通过观察散点图并进行数据 拟合,从而获得具体的函数模型,最后利用这个函数模型来解决相应的实际问题.
第26讲 三角函数模型及其应用
考试要求 1.了解三角函数是描述周期变化现象的重要函数模型,会用三角函数解 决一些简单实际问题(B级要求);2.掌握三角函数模型的应用(B级要求).
诊断自测 1.如图所示为一简谐运动的图象,则下列判断正确的是________(填序号).
①该质点的振动周期为0.7 s; ②该质点的振幅为-5 cm; ③该质点在0.1 s和0.5 s时的振动速度最大; ④该质点在0.3 s和0.7 s时的加速度为零.
(1)根据表中近似数据画出散点图.观察散点图,从①y=Asin(ωx+φ),②y=Acos(ωx +φ)+b,③y=-Asin ωt+b(A>0,ω>0,-π<φ<0)中选择一个合适的函数模型,并 求出该拟合模型的函数解析式;
(2)为保证队员安全,规定在一天中的5~18时且水深不低于1.05米的时候进行训练, 根据(1)中的选择的函数解析式,试问:这一天可以安排什么时间段组织训练,才能 确保集训队员的安全. 解 (1)根据表中近似数据画出散点图,如图所示:
得最大值,所以 6ω=π ,即 ω=π6 ,所以 y=40.5-40cos
π 6
t(t≥0wk.baidu.com.
(2)设转第1圈时,第t0分钟时距地面60.5米,
由 60.5=40.5-40cos
π 6
t0,得
cos
π 6
t0=-12,
所以π6 t0=2π3 或π6 t0=4π3 ,
解得t0=4或8, 所以t=8(分钟)时,第2次距地面60.5米,故第4次距离地面60.5米时,用了12+8= 20(分钟).
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