本题导读

本题核心考查解析几何中的物理光线反射模型。解题关键在于将物理学上的“入射角等于反射角”转化为几何学上的“关于边界轴对称”性质。通过将长方形沿反射边进行连续对称翻折(即“展平法”),将复杂的折线路径化归为一条直线,从而利用终点映射的坐标范围建立不等式求解。

📌【题干】

Question

(2003年辽宁卷) 已知长方形的四个顶点 ,, 和 ,一质点从 的中点 沿与 的夹角 的方向射到 上的点 后,依次反射到 、 和 上的点 、 和 (入射角等于反射角),设 的坐标为 ,若 ,则 的取值范围是()

A.     B.     C.     D.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 基本坐标初始化:由已知条件,长方形长 ,宽 。中点 坐标为 。

  2. 展平法化折为直:质点运动轨迹在长方形四边上发生连续镜面反射:

    • 第一次碰右壁 (),将图形向右翻折;
    • 第二次碰上壁 (),将图形向上翻折;
    • 第三次碰左壁 ( 的映射位置),将图形继续向左(展平中向右)翻折;
    • 第四次落到下壁 ( 的映射位置)。
  3. 推导映射点坐标:找出终点 在对称展平后的平面直角坐标系中的虚像坐标 。

  4. 斜率列式求解:展平直线的斜率即为 。利用两点斜率公式表示出 ,由 反解出 的精确边界。

✅【答案】

Success

C

✍【详细解析】

Abstract

由已知条件,长方形的边长为 ,。 为 的中点,则其坐标为 。 从 出发的光线与 轴的正向夹角为 ,其初始斜率 。

为了避免分段求解四个碰撞点坐标,采用对称展平法:

  1. 第一次反射在 (直线 ):将长方形沿 向右轴对称翻折。
  2. 第二次反射在 (直线 ):将图形继续向上轴对称翻折。此时水平反射线 ()被映射到高度为 的水平线上。
  3. 第三次反射在 (原直线 ):在当前的展平结构中,左侧壁 经第一次翻折后已映射到 的位置。光线在 处发生第三次碰撞,图形继续向右翻折。
  4. 第四次到达 边:落点为 。在展平平面中,该点映射在高度为 的边界上。

下面计算终点 在展平直角坐标系中的最终映射坐标 :

  • 纵坐标:图形仅向上翻折了一次,原处于 的 边变为 。
  • 横坐标:原点横坐标为 。第一次向右翻折关于 对称,横坐标变为 。第三次碰撞对应在展平轴的 边界上,再次向右翻折对称,横坐标变为:

因此,直线从起点 连通至展平终点 。 该直线的斜率恒为 :

由此可以反解出 关于 的代数表达式:

已知题目限定 真实横坐标满足条件 ,代入建立一元一次分式不等式组:

各项同时加上 3:

各项同时除以 2:

由于各数项均为正数,取倒数并同时改变不等号的方向:

即 的取值范围是 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:镜面反射的轴对称本质映射,利用对称性实现“化折为直”的降维,分式不等式的同向不等变形。
  2. 核心方法:镜像展平法。
  3. 避坑指南:
    • 极其容易在数横向翻折次数时,将第三次关于 对称的坐标错算为 。必须精确注意碰撞顺序:第一次碰右壁(),第二次碰上壁(不影响横坐标),第三次碰的是左壁(此时已在展平轴的 处),因此是向右延伸而非向内折回,横坐标映射为 。

    • 避免采用解析法硬性求解交点方程组,四次联立会导致计算量过大且极易出错。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题属于解析几何中的高难度压轴选择题,考查光线反射与对称变换的综合运用。
  2. 结论推广: 若一个长为 、宽为 的矩形,光线从底边某点出发,在水平方向完成 次碰撞、垂直方向完成 次碰撞,则可将其展平为 的大矩形,把终点映射到展平平面上的虚像点,再由起点与虚像点连线求斜率。所有碰撞周期性问题均可转化为展平后的直线斜率问题。

🔗【关联脉络】

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