5.7 三角函数的应用(课件(共87张PPT))-高中数学人教A版(2019)必修第一册

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5.7 三角函数的应用(课件(共87张PPT))-高中数学人教A版(2019)必修第一册

资源简介

(共87张PPT)
§5.7
三角函数的应用
第五章 三角函数
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1.通过构建三角函数模型,尝试解决物理中的简单问题.(难点)
2.通过构建三角函数模型解决生活中一些简单的问题.(重点)
学习目标
现实世界中,许多事物的运动、变化呈现出一定的周期性,例如,地球的自转引起的昼夜交替变化和公转引起的四季交替变化;海水在月球和太阳引力下发生的涨落现象;做简谐运动的物体的位移变化等等,这种周期性可以用三角函数来描述,并可利用三角函数的图象和性质来解决相应的实际问题,今天,我们就一起来探究如何构建三角函数模型解决实际问题.
导 语
一、三角函数在物理中的应用
二、三角函数在生活中的应用
课时对点练
三、三角函数“拟合”模型的应用
随堂演练
内容索引
三角函数在物理中的应用

1.在物理学中,把物体受到的力(总是指向平衡位置)正比于它离开平衡位置的距离的运动称为“简谐运动”.在适当的直角坐标下,简谐运动可以用函数y=Asin(ωx+φ),x∈[0,+∞)表示,其中A>0,ω>0.
2.参数的物理意义:
(1)A就是这个简谐运动的 ,它是做简谐运动的物体离开平衡位置的最大距离;
(2)简谐运动的周期是T=它是做简谐运动的物体往复运动一次所需要的时间;
(3)简谐运动的频率是f=它是做简谐运动的物体在单位时间内往复运动的次数;
(4)ωx+φ称为相位;x=0时的相位φ称为 .
振幅
初相
如果A<0或ω<0,应先利用诱导公式把函数进行标准化,把A
和ω的符号化为正数以后再确定相位和初相.比如y=-sin
应先变成y=sin=sin.
注 意 点
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 如图,一台发电机产生的电流是正弦式电流,即电压U(单位:V)和时间t(单位:s)满足U=311sin(ωt+φ).在一个周期内,电压的绝对值超过的时间为  .
例 1
s
由已知得T=0.02,
所以ω==100π,φ=0,
所以U=311sin 100πt.
在区间[0,0.02]内,令311sin 100πt=得100πt=或100πt=
可得t1=t2=;
同理令311sin 100πt=-
可得t3=t4=.
综上,电压的绝对值超过的时间为2×s).
解析
处理物理学问题的策略
(1)常涉及的物理学问题有单摆、光波、电流、机械波等,其共同的特点是具有周期性.
(2)明确物理概念的意义,此类问题往往涉及诸如频率、振幅等概念,因此要熟知其意义并与对应的三角函数知识结合解题.




已知弹簧上挂着的小球上下振动时,小球离开平衡位置的位移s(单位:cm)随时间t(单位:s)的变化规律为s=4sint∈[0,+∞).
用“五点法”作出这个函数的简图,并回答下列问题:
(1)小球在开始振动(t=0)时的位移是多少?
跟踪训练1
列表如下:
描点、连线,图象如图所示.
将t=0代入s=4sin
得s=4sin=2所以小球在开始振动时的位移是2 cm.

2t+ 0 π 2π
t -
s 0 4 0 -4 0
(2)小球上升到最高点和下降到最低点时的位移分别是多少?
小球上升到最高点和下降到最低点时的位移分别是4 cm和-4 cm.

(3)经过多长时间小球往复振动一次?
因为振动的周期是π,所以小球往复振动一次所用的时间是π s.


三角函数在生活中的应用
 (课本例1)如图,某地一天从6~14时的温度变化曲线近似满足函数y=Asin(ωx+φ)+b.
(1)求这一天6~14时的最大温差;
例 2
由图可知,这段时间的最大温差是20 ℃.

(2)写出这段曲线的函数解析式.
由图可以看出,从6~14时的图象是函数
y=Asin(ωx+φ)+b ①
的半个周期的图象,所以A=(30+10)=20.
因为.
将A=10,b=20,ω=.
综上,所求解析式为y=10sin+20,x∈[6,14].

 摩天轮是一种大型转轮状的机械建筑设施,游客坐在摩天轮的座舱里慢慢地往上转,可以从高处俯瞰四周景色.如图,某摩天轮最高点距离地面高度为130米,转盘直径为120米,
例 2
开启后按逆时针方向匀速旋转,每30分钟转一圈.已知游客在座舱转到距离地面最近的位置进舱,设游客距离地面的高度h(单位:米)关于进舱时间t(单位:分钟)的函数解析式为h(t)=Asin(ωt+φ)+b(其中A>0,ω>0,φ∈ (-π,π)).
(1)求h(t);
由题意知,T=30,
∴ω=
有解得
由t=0时,h(0)=60sin φ+70=10,
解得sin φ=-1,
又φ∈(-π,π),∴φ=-
∴h(t)=60sin+70.

(2)在摩天轮转动的一圈内,有多长时间游客距离地面的高度不小于100米?
由(1)知,h(t)=60sin+70,
令h(t)≥100,
则sin.
故+2kπ≤t-+2kπ,k∈Z,
解得10+30k≤t≤20+30k,k∈Z,
又0≤t≤30,∴10≤t≤20,
∴在摩天轮转动的一圈内,有20-10=10(分钟)游客距离地面的高度不小于100米.

解三角函数应用问题的基本步骤




某地区的一种特产水果最早一批在每年11月上市,上市初期产量较低,因此价格居高且逐渐上涨,中期产量增大时价格逐渐下跌,后期又由于供应量不足价格上涨,其销售价格f(x)(单位:元/千克)随着月份x的变化满足函数f(x)=Asin+B(x∈[1,10],x∈N*,其中1表示十一月份,2表示十二月份,…),经调查统计,一月份该水果的销售价格为10元/千克,五月份该水果的销售价格为6元/千克.
(1)求函数f(x)的解析式;
跟踪训练2
由题意可得
解得
所以f(x)=2sin+8(x∈[1,10],x∈N*).

(2)若该水果价格小于7元/千克时,果农就会联合批发商积极拓宽外销渠道,则每年哪几个月份需要采取外销策略?
令f(x)=2sin+8<7,即sin<-
则2kπ+x-<2kπ+k∈Z,解得8k+因为x∈[1,10],x∈N*,则因此每年4月、5月、6月这三个月需要采取外销策略.


三角函数“拟合”模型的应用
 已知某海滨浴场的浪高y(m)是时间t(时)(0≤t≤24)的函数,记作y=f(t).下表是某日各时刻的浪高数据.经长期观测,y=f(t)可近似地看成是函数y=Acos ωt+b.
(1)根据以上数据,求出该函数的周期T、振幅A及函数解析式;
例 3
t 0 3 6 9 12 15 18 21 24
y 1.5 1.0 0.5 1.0 1.5 1.0 0.5 0.99 1.5
由表中数据可知T=12,f(t)的最大值为1.5,最小值为0.5,所以ω=
A=b==1,
所以f(t)=t+1(0≤t≤24).

(2)依据规定,当浪高高于1 m时才对冲浪爱好者开放,试依据(1)的结论,判断一天内8:00至20:00之间有多长时间可供冲浪者进行运动.
t 0 3 6 9 12 15 18 21 24
y 1.5 1.0 0.5 1.0 1.5 1.0 0.5 0.99 1.5
由(1)可知f(t)=t+1,
由t+1>1,得cost>0,
所以2kπ-t<2kπ+k∈Z,
所以12k-3因为8≤t≤20,所以当k=1时,得9所以一天内从上午9点至下午3点共有6个小时可以冲浪.

处理曲线拟合与预测问题时,通常需要以下几个步骤
(1)根据原始数据绘出散点图.
(2)通过观察散点图,画出与其“最贴近”的直线或曲线,即拟合直线或拟合曲线.
(3)根据所学函数知识,求出拟合直线或拟合曲线的函数解析式.
(4)利用函数解析式,根据条件对所给问题进行预测和控制,以便为决策和管理提供依据.




下表中给出了在24小时期间人的体温的变化情况(从夜间零点开始计时):
(1)作出这些数据的散点图;
跟踪训练3
时间(时) 0 2 4 6 8 10 12
温度(℃) 36.8 36.7 36.6 36.7 36.8 37 37.2
时间(时) 14 16 18 20 22 24
温度(℃) 37.3 37.4 37.3 37.2 37 36.8
散点图如图所示.

(2)选用一个三角函数来近似描述这些数据.
时间(时) 0 2 4 6 8 10 12
温度(℃) 36.8 36.7 36.6 36.7 36.8 37 37.2
时间(时) 14 16 18 20 22 24
温度(℃) 37.3 37.4 37.3 37.2 37 36.8
设t时的体温y=Asin(ωt+φ)+c,
由表知ymax=37.4,ymin=36.6,
则c==37,A==0.4,
ω=.
由0.4sin+37=37.4,
得sin=1,即+φ=2kπ+k∈Z,
则φ=2kπ-k∈Z,取φ=-
故可用三角函数y=0.4sin+37来近似描述这些数据.

1.知识清单:
(1)三角函数在物理中的应用.
(2)三角函数在生活中的应用.
(3)三角函数“拟合”模型的应用.
2.方法归纳:数学建模、数形结合.
3.常见误区:选择三角函数模型时,最后结果忘记回归实际问题.
随堂演练

1
2
3
4
1.函数y=的周期、振幅、初相分别是
A.3 B.6
C.3π,3,- D.6π,3

1
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4
2.如图,某港口一天6时到18时的水深变化曲线近似满足函数y=3sin+k.据此函数可知,这段时间水深(单位:m)的最大值为
A.5 B.6 C.8 D.10

根据图象得函数的最小值为2,
有-3+k=2,k=5,则最大值为3+k=8.
解析
1
2
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4
3.某兴趣小组以某闰年春分为起始时间(已知春分时太阳直射点在赤道上),测量了一整年内太阳直射点纬度,并通过正弦型函数来模拟该闰年太阳直射点的变化.已知太阳直射点移至最北端时纬度约为北纬23.44°,用x代表天数,y代表太阳直射点纬度,太阳直射北半球时取正值,直射南半球时取负值,则该年太阳直射点的变化近似满足下列哪个函数
A.y=23.44sin x
B.y=23.44sin x
C.y=46.88sin x
D.y=46.88sin x

1
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4
由题意设y=Asin ωx(A>0,ω>0),又T=366,则ω=
因为太阳直射点移至最北端时纬度约为北纬23.44°,
所以A=23.44,
则近似满足函数y=23.44sin x.
解析
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4
4.如图,单摆从某点开始来回摆动,离开平衡位置O的位移s(单位:cm)和时间t(单位:s)的函数关系为s=2cos那么单摆摆动的频率为  ,第二次到达平衡位置O
所需要的时间为  s.
单摆摆动的频率f=.
当t=时,s=0,故第一次到达平衡位置O所需要的时间为 s.
所以第二次到达平衡位置O所需要的时间为T=s).
解析
 
课时对点练

对一对
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题号 1 2 3 4 5 6 7 8
答案 C D C C D C ACD 4
题号 9 11 12 13 15
答案 h=-6sint(0≤t≤24) A AB BD
10.
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(1)周期T==1(s).
列表:
描点、连线,画图如图所示.(答案不唯一)
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2πt+ π 2π 2π+
t 0 1
6sin 3 6 0 -6 0 3
10.
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(2)①小球开始摆动(即t=0)时,离开平衡位置的距离为3 cm.
②小球摆动时,离开平衡位置的最大距离是6 cm.
③小球来回摆动一次需要1 s(即周期).
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(1)因为x∈[4,16],
所以x-
所以当x-
即x=14时函数取最大值,此时最高温度为30 ℃,
当x-=-
即x=6时函数取最小值,此时最低温度为10 ℃,
所以最大温差为30 ℃-10 ℃=20(℃).
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(2)令10sin+20=15,
得sin=-
又x∈[4,16],所以x=.
令10sin+20=25,
得sin
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又x∈[4,16],所以x=.
又当x∈时x-
所以该函数在上单调递增.
故该细菌能存活的最长时间为小时).
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(1)细菌的存活时间与日期位置序号x之间的函数解析式满足y=Asin(ωx+φ)+t,由表可知函数的最大值为19.4,最小值为5.4,
∴2A=19.4-5.4=14,故A=7.
2t=19.4+5.4=24.8,故t=12.4.
又T=365,∴ω=.
当x=172时+φ=
∴φ=-
∴y=7sin+12.4(1≤x≤365,x∈N).
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(2)由y>15.9得sin
∴x-结合1≤x≤365,x∈N,
可得112≤x≤232,x∈N.
∴这种细菌一年中大约有121天的存活时间大于15.9小时.
16
基础巩固
1.函数s=Asin(ωt+φ)(A>0,ω>0)表示一个振动量,振幅是2,频率是初相是则这个函数为
A.s=2sint≥0)
B.s=t≥0)
C.s=2sint≥0)
D.s=t≥0)

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2.音叉是呈“Y”形的钢质或铝合金发声器(如图1),各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率的纯音.敲击某个音叉时,在一定时间内,音叉上点P离开平衡位置的位移y与时间t的函数关系
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由图象可得,T=4×即则ω=400π.
解析
为y=sin ωt,t∈[0,+∞).图2是该函数在一个周期内的图象,根据图中数据可确定ω的值为
A.200 B.400 C.200π D.400π

3.在两个弹簧上各挂一个质量分别为m1和m2的小球,它们做上下自由振动.已知它们在时间t(s)时离开平衡位置的位移s1(cm)和s2(cm)分别由下列
两式确定:s1=5sins2=5cos.则在时间t=时,s1与s2的
大小关系是
A.s1>s2 B.s1C.s1=s2 D.不能确定

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当t=时,s1=5sin=-5,
s2=5cos=-5,则s1=s2.
解析
4.商场人流量被定义为每分钟通过入口的人数,五一节假日某商场的人流量满足函数F(t)=50+4sin t≥0),则在下列哪个时间段内人流量是增加的
A.[0,5] B.[5,10] C.[10,15] D.[15,20]

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由2kπ-≤2kπ+k∈Z,
知函数F(t)的单调递增区间为[4kπ-π,4kπ+π],k∈Z.
当k=1时,t∈[3π,5π],且[10,15] [3π,5π].
故F(t)在[10,15]时间段内人流量是增加的.
解析
5.如图所示是一个主体高为1.5 m的螺旋形旋转滑梯.某游客从该滑梯顶端出发一直滑到底部,把其运动轨迹投影到滑梯的轴截面上,得到的曲线对应的函数解析式为y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)(x,y的单位:m),若该游客整个运动过
程中相位的变化量为,则ω的值为
A. B.
C.2π D.

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由旋转滑梯高为1.5 m知,投影到轴截面上后,游客对应在横轴上移动的距离是1.5 m,
当x=0时,初相为φ,且游客一直滑到底部,则最后的相位为1.5ω+φ,
故整个运动过程中,相位的变化量为1.5ω+φ-φ=,
所以ω=.
解析
6.为了研究钟表与三角函数的关系,建立如图所示的坐标系,设秒针位
置P(x,y).若初始位置为P0当秒针从P0(此时t=0)开始时,点P
的纵坐标y与时间t的函数解析式为
A.y=sint∈[0,+∞)
B.y=sint∈[0,+∞)
C.y=sint∈[0,+∞)
D.y=sint∈[0,+∞)

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由题意可得T=60且秒针按顺时针旋转,即T==60,所以|ω|=即ω=-.结合初始位置P0可知C正确.
解析
7.(多选)单摆运动是一种简谐运动,摆球的运动情况可以用三角函数表达为y=Asin(ωx +φ),A>0,ω>0,|φ|<其中x表示时间(单位:s),y表示位移(单位:cm),A表示振幅表示频率,φ表示初相.如图甲,某个小球做单摆运动,规定摆球向右偏移的位移为正,竖直方向为平衡位置.图乙表示该小球在0~3 s时运动的位移随时间变化的情况.根据秒表记录,当x=时,小球第一次到平衡位置;当x=时,小球的位移第一次到反向最大值.下列选项中正确的是
A.频率为
B.初相φ=
C.振幅A=10
D.当x=时,小球第三次回到平衡位置
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A选项,设最小正周期为T,由题意得 T=2 ω=π,频率为故A正确;
B选项,当x=时,小球第一次到平衡位置,即x=是函数单调递减区间上的零点,且|φ|<所以sin=0 φ=故B错误;
C选项,根据图中的信息知点(3,-5)在图象上,所以Asin=-5
A=10,故C正确;
D选项,当x=时,小球第一次到达平衡位置,当x=+2=时,小球第三次
到达平衡位置,故D正确.
解析
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8.如图是两个齿轮旋转的示意图,被动轮随着主动轮的旋转而旋转,而且被动轮与主动轮有相反的旋转方向.A,B两点分别位于该齿轮的主动轮与被动轮上,初始位置如图①所示,A,B两点到两齿轮中心O1,O2所在直线的距离随时间的变化满足如图②所示的函数图象,已知主动轮转动一圈的时间小于被动轮转动一圈的时间,则A,B两点再次同时回到初始位置所经过的时间为 s.
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设主动轮、被动轮的周期分别为T1,T2,则T1=1 sT2=1 s,
故T1= s,T2=2 s,所以3T1=2T2=4 s,故需要经过4 s,A,B再次同时回到起点.
解析
9.如图表示相对于平均海平面的某海湾的水面高度h(单位:米)在某天0~24时的变化情况,则水面高度h关于时间t的函数关系式为
          .
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h=-6sint(0≤t≤24)
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设h=Asin(ωt+φ),其中A>0,ω>0,由图象知A=6,T=12,
∴=12,即ω=.
点(6,0)为五点法作图中的第一点,
故×6+φ=0,得φ=-π,
∴h=6sin=-6sint(0≤t≤24).
解析
10.一根细线的一端固定,另一端悬挂一个小球,当小球来回摆动时,离开平衡位置的位移s(单位:cm)与时间t(单位:s)的函数关系是s=6sin.
(1)画出它在一个周期内的图象;
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周期T==1(s).
列表:
描点、连线,画图如图所示.(答案不唯一)
2πt+ π 2π 2π+
t 0 1
6sin 3 6 0 -6 0 3
(2)回答以下问题:
①小球开始摆动(即t=0)时,离开平衡位置的距离是多少?
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小球开始摆动(即t=0)时,离开平衡位置的距离为3 cm.

②小球摆动时,离开平衡位置的最大距离是多少?
小球摆动时,离开平衡位置的最大距离是6 cm.

③小球来回摆动一次需要多少时间?
小球来回摆动一次需要1 s(即周期).

11.在一个圆形波浪实验水池的中心有三个振动源,假如不计其他因素,
在t秒内,它们引发的水面波动可分别由函数y1=sin t,y2=sin和y3=sin描述,如果两个振动源同时启动,则水面波动由两个函数
的和表示,在某一时刻使这三个振动源同时开始工作,那么,原本平静的水面将呈现的状态是
A.仍保持平静 B.不断波动
C.周期性保持平静 D.周期性保持波动

综合运用
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∵sin t+sin+sin
=sin t+sin t·cos+cos t·sin+sin t·cos+cos t·sin
=sin t-sin t+cos t-sin t-cos t=0,
∴三个振动源同时开始工作时,水面仍保持平静.
解析
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12.(多选)如图是某市夏季某一天的温度变化曲线,若该曲线近似地满足函数y=Asin(ωx+φ)+B(ω>0,0<φ<π),则下列说法正确的是
A.该函数的最小正周期是16
B.该函数图象的一条对称轴是直线x=14
C.该函数的解析式是y=10sin+20(0≤x≤24)
D.这一天的函数关系式也适用于第二天

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由题意以及函数的图象可知,A+B=30,-A+B=10,
∴A=10,B=20.
∵=14-6,∴T=16,故A正确;
∵T=∴ω=
∴y=10sin+20.
∵图象经过点(14,30),
∴30=10sin+20,
解析
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∴sin=1,
又0<φ<π,
∴φ=
∴y=10sin+20(0≤x≤24),故B正确,C错误;
这一天的函数关系式只适用于当天,第二天这个关系式不一定适用,故D错误.
解析
13.国际油价在某一时间内呈现出正弦波动规律:P=Asin+60(A >0,ω>0)(单位:美元),现采集到下列信息:最高油价为80美元,当t=
150(单位:天)时达到最低油价,则ω的最小值为   .
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由题意得A=20.当t=150时达到最低油价,即sin=-1,此时150ωπ+=2kπ-k∈Z,因为ω>0,所以令k=1,得150ωπ+=2π-解得ω=.故ω的最小值为.
解析
14.已知某地一天4~16时的温度变化曲线近似满足函数y=10sin+ 20,x∈[4,16].
(1)求该地这一段时间内温度的最大温差;
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因为x∈[4,16],
所以x-
所以当x-
即x=14时函数取最大值,此时最高温度为30 ℃,
当x-=-
即x=6时函数取最小值,此时最低温度为10 ℃,
所以最大温差为30 ℃-10 ℃=20(℃).

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(2)若有一种细菌在15 ℃到25 ℃之间可以生存,那么在这段时间内,该细菌最多能生存多长时间?
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令10sin+20=15,
得sin=-
又x∈[4,16],所以x=.
令10sin+20=25,
得sin
又x∈[4,16],所以x=.

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又当x∈时x-
所以该函数在上单调递增.
故该细菌能存活的最长时间为小时).

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15.(多选)如图,一个水轮的半径为6 m,水轮轴心O距离水面的高度为3 m,已知水轮按逆时针匀速转动,每分钟转动5圈,当水轮上的一点P从水中浮现时(图中点P0)开始计时,记f(t)(单位:m.在水面下,则f(t)为负数)为点P距离水面的高度关于时间t(单位:s)的函数,则下列结论正确的是
A.f(3)=9
B.f(1)=f(7)
C.若f(t)≥6,则2+12k≤t≤5+12k(k∈N)
D.无论t为何值,f(t)+f(t+4)+f(t+8)是定值
拓广探究
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如图,以水轮所在平面为坐标平面,以水轮的轴心O为坐标原点,x轴和y轴分别平行和垂直于水面建立平面直角坐标系,依题意得,OP在t(s)
内所转过的弧度数为t,
则∠POx=t-
则点P的纵坐标为y=6sin
所以点P距离水面的高度关于时间t(s)的函数为
f(t)=6sin+3.
则f(3)=6sin+3=3+3,选项A错误;
解析
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因为f(1)=6sin+3=3,
f(7)=6sin+3=3,
所以f(1)=f(7),选项B正确;
由f(t)≥6,得sin
即+2kπ≤t-+2kπ,k∈N,解得2+12k≤t≤6+12k(k∈N),选项C错误;
由f(t)+f(t+4)+f(t+8)=6sin+3+6sin+3+6sin+3,
展开整理得f(t)+f(t+4)+f(t+8)=9为定值,选项D正确.
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16.在自然条件下,对某种细菌在一天内存活的时间进行了一年的统计与测量,得到10次测量结果(时间近似到0.1小时),结果如表所示:
(1)试选用一个形如y=Asin(ωx+φ)+t(A>0,ω>0)的函数来近似描述一年(按365天计)中该细菌一天内存活的时间y与日期位置序号x之间的函数解析式;
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日期 1月 1日 2月 28日 3月 21日 4月 27日 5月 6日 6月 21日 8月 13日 9月 20日 10月 25日 12月
21日
日期位置序号x 1 59 80 117 126 172 225 263 298 355
存活时间y/小时 5.6 10.2 12.4 16.4 17.3 19.4 16.4 12.4 8.5 5.4
细菌的存活时间与日期位置序号x之间的函数解析式满足y=Asin(ωx+φ)+t,由表可知函数的最大值为19.4,最小值为5.4,
∴2A=19.4-5.4=14,故A=7.
2t=19.4+5.4=24.8,故t=12.4.
又T=365,∴ω=.
当x=172时+φ=
∴φ=-
∴y=7sin+12.4(1≤x≤365,x∈N).

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(2)用(1)中的结果估计该种细菌一年中大约有多少天的存活时间大于15.9小时.
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日期 1月 1日 2月 28日 3月 21日 4月 27日 5月 6日 6月 21日 8月 13日 9月 20日 10月 25日 12月
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日期位置序号x 1 59 80 117 126 172 225 263 298 355
存活时间y/小时 5.6 10.2 12.4 16.4 17.3 19.4 16.4 12.4 8.5 5.4
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由y>15.9得sin
∴x-结合1≤x≤365,x∈N,
可得112≤x≤232,x∈N.
∴这种细菌一年中大约有121天的存活时间大于15.9小时.

16
第五章 三角函数
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