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如图,在□ABCD中,AB=4cm,BC=2cm,∠B=120°,E是BC的中点,动点P从点C出发,以2cm/s的速度沿CD向终点D运动,同时动点Q从点A出发,以4cm/s的速度沿AB向终点B运动,当它们有一个到达终点时,另一个也随之停止运动,设运动时间为ts.
(1)当t为何值时,四边形AQPD为平行四边形?
(2)设DQ2=y,求y关于t的函数关系式,并写出自变量t的取值范围;
(3)在运动的过程中是否存在某一时刻,使得△CPE与△DPQ相似?若存在,请求出t的值;若不存在,请说明理由.
分析:(1)先由四边形ABCD是平行四边形可得出CD∥AB,由CD=AB=4cm,E是BC的中点可得出BC的长,欲使四边形AQPD为平行四边形,只要AQ=DP,再用t分别表示出AQ及DP的长,求出t的值即可;
(2)过点D作DF⊥AB交AB于F,在Rt△ADF中,利用锐角三角函数的定义可求出AF、DF的长,在Rt△DFQ中,由勾股定理即可得出y与t的函数关系式,根据AB=4cm,Q点的速度为4cm/s,可求出t的取值范围;
(3)先由相似三角形的判定定理得出△ADQ∽△CPE,由于两三角形相似的对应边不能确定,故应分三种情况进行讨论:
①当∠A=∠DPQ=60°时,由AB∥CD可知∠PDQ=∠AQD,再根据△ADQ∽△PDQ,AQ=DP可得出4-2t=4t,故可求出t的值;
②当∠DQP=∠A=60°时,由∠PDQ=∠AQD,△ADQ∽△PDQ,可知
DQ
PD
=
AQ
DQ
,故可得出关于t的一元二次方程,求出t的值即可;
③当∠PDQ=∠A=60°,由∠PDQ=∠AQD=∠A=60°可知△PDQ为等边三角形,故DP=AQ=AD=2,即4-2t=2,解得t=1,而t=1时,Q已到终点,故不可能.
解答:解:(1)∵四边形ABCD是平行四边形,
∴CD∥AB,CD=AB=4cm,
∵E是BC的中点,BC=2cm,
∴欲使AQPD为平行四边形,只要AQ=DP.
∵动点P从点C出发,以2cm/s的速度沿CD向终点D运动,同时动点Q从点A出发,以4cm/s的速度沿AB向终点B运动,
∴AQ=4t,DP=CD-CP=4-2t,
∴4-2t=4t,
∴t=
2
3
;

(2)如图1,过点D作DF⊥AB交AB于F,
∵∠B=120°,AD=2cm,
∴∠A=60°,
在Rt△ADF中,
AF=ADcos60°=2×0.5=1cm
DF=ADsin60°=2×
3
2
=
3
cm

在Rt△DFQ中,
DQ2=(
3
)2+(4t-1)2
,依题意,DQ2=y即y=16t2-8t+4,
∵AB=4cm,Q点的速度为4cm/s
∴0<t≤1;

(3)∵四边形ABCD是平行四边形,
∴CD∥AB,CD=AB=4cm,
∵AD=BC=2cm,∠A=∠C=60°E为BC的中点,CP=2t,AQ=4t,
AD
CE
=
AQ
CP
=
1
2

∴△ADQ∽△CPE,
①如图2,当∠A=∠DPQ=60°时,
∵AB∥CD,
∴∠PDQ=∠AQD
∵△ADQ∽△PDQ,AQ=DP
∴4-2t=4t,
∴t=
2
3
;
②如图3,当∠DQP=∠A=60°时,
∵∠PDQ=∠AQD,
DQ
PD
=
AQ
DQ
,
∴DQ2=AQ•PD,即16t2-8t+4=4t(4-2t)6t2-6t+1=0,
t=
6±
36-4×6
2×6
=
3±
3
6
,
t1=
3+
3
6
<1,t2=
3-
3
6
<1
;
③如图4,若∠PDQ=∠A=60°,
∵∠PDQ=∠AQD=∠A=60°
∴△PDQ为等边三角形,
∴DP=AQ=AD=2,即4-2t=2,解得t=1,
而t=1时,Q已到终点,故不可能.
综上所述,当t=
2
3
秒,t1=
3+
3
6
秒或t2=
3-
3
6
秒
时,△PDQ∽△CPE.
点评:本题考查的是相似形综合题,涉及到相似三角形的判定与性质、等边三角形的判定与性质、平行四边形的判定与性质等相关知识,难度较大.
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