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专题18.7四边形中的七大模型(举一反三)(人教版)(学生版)_初中数学_八年级数学下册(人教版)_母题专项-U66_2025版

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专题 18.7 四边形中的七大模型 【人教版】 【模型1 “中点四边形”模型】................................................................................................................................3 【模型2 “十字架”模型】........................................................................................................................................5 【模型3 “垂美四边形”模型】................................................................................................................................8 【模型4 “对角互补”模型】..................................................................................................................................11 【模型5 “含60°角的菱形”模型】.......................................................................................................................14 【模型6 “梯子”模型】..........................................................................................................................................17 【模型7 “半角”模型】..........................................................................................................................................19 【模型一 “中点四边形”模型】 模型特征: 条件 E,F,G,H分别是四边形ABCD的边AB,BC,CD,DA的中点 图示 ①四边形EFGH是平行四边形; ② C 四边形EFGH=AC+BD; 1 结论 = S S ③ 四边形EFGH 2 四边形ABCD 结论证明: (结论①:四边形EFGH是平行四边形) 由图可知,四边形ABCD被AC分成两个三角形,∵E,F 分别是AB,BC的中点, ∴EF为△ABC的中位线,同理HG为△ACD的中位线, 1 1 ∴EF//AC,EF= AC,HG//AC,HG= AC, 2 2 ∴EF//HG,且EF=HG, ∴四边形EFGH为平行四边形. (结论②:C 四边形EFGH=AC+BD) ∵四边形EFGH是平行四边形, ∴EF=GH,FG=EH, ∴ C 四边形EFGH=2(EF+FG). ∵EF,FG 分别是△ABC和△BCD的中位线, 1 1 ∴EF= AC,FG= BD, 2 2 ∴ C 四边形EFGH=2(EF+FG)=AC+BD. 1 = (结论③S 四边形EFGH 2 S 四边形ABCD ) ∵EF 为△ABC的中位线,GF为△BCD的中位线,HG为△ACD的中位线, EH为△ABD的中位线, 1 1 1 1 ∴S △BEF = 4 S △ABC ,S △CGF = 4 S △BCD ,S △DHG = 4 S △ACD , S △AHE = 4 S △ABD . ∵S △ABC +S △BCD +S △ACD +S △ABD =2 S 四边形ABCD , 1 1 ∴ S 四边形EFGH=S 四边形ABCD-(S △BEF +S △CGF +S △DHG +S △AHE )=S 四边形ABCD- 4 ×2 S 四边形ABCD= 2 S 四边形ABCD. 模型拓展: 拓展方向 图形背景由一般四边形拓展为特殊四边形 类型 矩形的中点四边形 菱形的中点四边形 正方形的中点四边形 条件 E,F,G,H分别为边AB,BC,CD,DA的中点图示 结论 四边形EFGH是菱形 四边形EFGH是矩形 四边形EFGH是正方形 【模型1 “中点四边形”模型】 【例1】(2024·山东德州·中考真题)我们给出如下定义:顺次连接任意一个四边形各边中点所得的四边形 叫中点四边形. (1)如图1,四边形ABCD中,点E,F,G,H分别为边AB,BC,CD,DA的中点.求证:中点四边形 EFGH是平行四边形; (2)如图2,点P是四边形ABCD内一点,且满足PA=PB,PC=PD,∠APB=∠CPD,点E,F,G,H分 别为边AB,BC,CD,DA的中点,猜想中点四边形EFGH的形状,并证明你的猜想; (3)若改变(2)中的条件,使∠APB=∠CPD=90°,其他条件不变,直接写出中点四边形EFGH的形状. (不必证明) 【变式1-1】(24-25八年级·江苏盐城·期中)若顺次连接四边形ABCD四边中点形成的四边形为矩形,则 四边形ABCD满足的条件为. 【变式1-2】(24-25八年级·全国·课后作业)我们把顺次连接任意一个四边形各边中点所得的四边形叫做 中点四边形. (1)任意四边形的中点四边形是什么形状?为什么? (2)任意平行四边形的中点四边形是什么形状?为什么? (3)任意矩形、菱形和正方形的中点四边形分别是什么形状?为什么? 【变式1-3】(24-25八年级·河北石家庄·期中)四边形ABCD中,点E、F、G、H分别为AB、BC、CD、 DA边的中点,顺次连接各边中点得到的新四边形EFGH称为中点四边形.(1)我们知道:无论四边形ABCD怎样变化,它的中点四边形EFGH都是平行四边形.特殊的: ①当对角线AC=BD时,四边形ABCD的中点四边形为__________形; ②当对角线AC⊥BD时,四边形ABCD的中点四边形是__________形. (2)如图:四边形ABCD中,已知∠B=∠C=60°,且BC=AB+CD,请利用(1)中的结论,判断四 边形ABCD的中点四边形EFGH的形状并进行证明. 【模型二 “十字架”模型】 模型特征: 类型 过顶点型 不过顶点型 在正方形ABCD中,点E,F分别在CD,AD 在正方形ABCD中,点E,F,G,H分别在 条件 上,AE⊥BF AB,CD,BC,AD上,EF⊥GH 图示 结论 ①△ABF≌△DAE;②BF=AE GH=EF 结论证明: (结论:△ABF≌△DAE,BF=AE) 如右图,∵四边形ABCD 为正方形, ∴AB=DA,∠BAF=∠ADE=90°. ∵AE⊥BF, ∴∠AGB=90°, ∴∠ABF+∠BAG=90°. ∵∠BAG+∠DAE=90°, ∴∠ABF=∠DAE. ∠BAF=∠ADE, 在△ABF和△DAE中, BA=AD, ∠ABF=∠DAE,∴△ABF≌△DAE(ASA), ∴BF=AE. 不过顶点型结论自主证明(提示 :过点 H 作 HM⊥BC,过点 E 作 EL⊥CD,垂足分别为 M,L, 证明 △GHM≌△FEL,即可得GH=EF.) 模型拓展: 拓展方向 由正方形向矩形拓展 类型 过顶点型 不过顶点型 在矩形ABCD中,点E在AD 上, 在矩形ABCD中,点E,F,G,H分别在 条件 CE⊥BD AD,BC,AB,DC上,EF⊥GH 图示 结论 BCD∽△CDE;②CD = DE EF = CD ①△ BC CD GH BC 【模型2 “十字架”模型】 【例2】(24-25八年级·江苏无锡·期末)如图,将边长为3的正方形ABCD纸片沿EF折叠,点C落在AB 边上的点G处,点D与点H重合,CG与EF交于点P,取GH的中点Q,连接PQ,则△GPQ的周长最小 值是( ) 3 3+3❑√5 3 9 A. +2❑√2 B. C. +2❑√3 D. 2 2 2 2 【变式2-1】(24-25八年级·安徽芜湖·期末)如图,将一边长为12的正方形纸片ABCD的顶点A折叠至 DC边上的点E,使DE=5,若折痕为PQ,则PQ的长为( )A.13 B.14 C.15 D.16 【变式2-2】(24-25八年级·山西太原·期中)如图,在正方形ABCD中,AB=3,点E是BC边上一点, 且CE=2BE,连接AE,点F是AB边上一点,过点F作FG⊥AE交CD于点G,连接EF,EG,AG, 则四边形AFEG的面积为 . 【变式2-3】(2024·河南·一模)综合与实践 数学课上,老师提出了这样一个问题:如图1,在正方形ABCD中,已知AE⊥BF,求证:AE=BF. 甲小组同学的证明思路如下: 由同角的余角相等可得∠ABF=∠DAE.再由AB=DA,∠BAF=∠D=90°,证得△ABF≌△DAE (依据:________),从而得AE=BF. 乙小组的同学猜想,其他条件不变,若已知AE=BF,同样可证得AE⊥BF,证明思路如下: 由AB=DA,BF=AE可证得Rt△ABF≌Rt△DAE(HL),可得∠ABF=∠DAE,再根据角的等量代换 即可证得AE⊥BF. 完成任务: (1)填空:上述材料中的依据是________(填“SAS”或“AAS”或“ASA”或“HL”) 【发现问题】 同学们通过交流后发现,已知AE⊥BF可证得AE=BF,已知AE=BF同样可证得AE⊥BF,为了验证这个结论是否具有一般性,又进行了如下探究. 【迁移探究】 (2)在正方形ABCD中,点E在CD上,点M,N分别在AD,BC上,连接AE,MN交于点P.甲小组同 学根据MN⊥AE画出图形如图2所示,乙小组同学根据MN=AE画出图形如图3所示.甲小组同学发现 已知MN⊥AE仍能证明MN=AE,乙小组同学发现已知MN=AE无法证明MN⊥AE一定成立. ①在图2中,已知MN⊥AE,求证:MN=AE; ②在图3中,若∠DAE=α,则∠APM的度数为多少? 【拓展应用】 (3)如图4,在正方形ABCD中,AB=3,点E在边AB上,点M在边AD上,且AE=AM=1,点F,N 分别在直线CD,BC上,若EF=MN,当直线EF与直线MN所夹较小角的度数为30°时,请直接写出 CF的长. 【模型三 “垂美四边形”模型】 模型特征: 条件 在四边形ABCD中,AC⊥BD 图示1 结论 ①AB2+CD2=AD2+BC2 ;② S 四边形ABCD= 2 AC·BD 结论证明: (结论①的证明) ∵AC⊥BD, ∴根据勾股定理,得AB²=AO²+BO²①, AD²=AO²+DO²②, CD²=CO²+DO²③, BC²=BO²+CO²④. ①+③,得AB²+CD²=AO²+BO²+CO²+DO², ②+④,得AD²+BC²=AO²+DO²+BO²+CO², ∴AB²+CD²=AD²+BC². 【模型3 “垂美四边形”模型】 【例3】(24-25八年级·江苏徐州·期中)对角线互相垂直的四边形叫做垂美四边形. (1)概念理解:如图①,在四边形ABCD中,AB=AD,CB=CD,四边形ABCD是垂美四边形吗?请说 明理由; (2)性质探究:如图②,垂美四边形ABCD的对角线AC,BD交于点O.猜想:AB2+CD2与AD2+BC2 有什么关系?并证明你的猜想; (3)解决问题:如图③,分别以Rt△ABC的直角边AC和斜边AB为边向外作正方形ACFG和正方形ABDE ,连接CE,BG,GE.已知AC=4,AB=5,求GE的长. 【变式3-1】(2024八年级·全国·专题练习)小明学习了平行四边形这一章后,对特殊四边形的探究产生了 兴趣,发现另外一类特殊四边形,如图1,我们把两条对角线互相垂直的四边形叫做垂美四边形.(1)概念理解:在平行四边形、矩形、菱形、正方形中,一定是垂美四边形的是 (2)性质探究:通过探究,直接写出垂直四边形ABCD的面积S与两对角线AC,BD之间的数量关系: . (3)问题解决:如图2,分别以Rt△ACB的直角边AC和斜边AB为边向外作正方形ACFG和正方形ABDE, 连接CG,BE,GE,已知AC=4,AB=5. ①求证:四边形BCGE为垂美四边形; ②求出四边形BCGE的面积. 【变式3-2】(24-25八年级·江苏泰州·期中)四边形ABCD,AC⊥BD,点E为对角线BD上任意一点, 连接AE、CE. 若AB=5,BC=3,则AE2-CE2等于( ) A.7 B.9 C.16 D.25 【变式3-3】(24-25八年级·广东韶关·期末)新定义:对角线互相垂直的四边形叫做垂美四边形. (1)尺规作图:以已知线段EG为对角线作一个垂美四边形EFGH,使其对角线交于点O;(不写作法,保 留作图痕迹) (2)已知四边形ABCD是垂美四边形,且AC=3❑√6,BD=4❑√2,则它的面积为________; (3)如图,四边形ABCD是垂美四边形,AB=c,BC=d,CD=a,DA=b,探究a、b、c、d的数量关系;(4)如图,已知D、E分别是△ABC中边BC、AC的中点,AD⊥BE,AC=3,BC=4,请运用上题的结 论,求AB的长. 【模型四 “对角互补”模型】 模型特征: 类型 90°角的对角互补模型 60°,120°角的对角互补模型 ∠ABC=∠ADC=90°,BD平分∠ABC ∠ABC=120°,∠ADC=60°,BD 平 分 条件 ∠ABC 过 点 D 分 别 作 DE⊥BC于点E, DF⊥BA交BA的延 长线于点F 作辅 助线 过点 D 分别作 DE⊥BC于点 E, DF⊥BA交 BA 的延长线于点F结论 ①AD=CD; ①AD=CD; ②AB+BC = ❑√2BD ②AB+BC=BD; 1 ❑√3 ③ S 四边形ABCD= 2 BD2 ③ S 四边形ABCD= 4 BD2 结论证明: (针对“90°角的对角互补”模型中的结论进行证明) 如右图,过点D 分别作DE⊥BC于 点E,DF⊥BA 交 BA的延长线于点F. ∵BD 平分∠ABC,∴DE=DF. ∵∠ABC=∠ADC=90°, ∴∠BAD+∠C=180°. ∵∠BAD+∠DAF=180°, ∴∠DAF=∠C. ∵∠F=∠DEC=90°, ∴△DFA≌△DEC(AAS), ∴AD=CD (结论①),AF=CE, ∴AB+BC=AB+BE+CE=AB+BE+AF=BF+BE. 易证四边形DFBE为正方形, ❑√2 ∴BF=BE= BD 2 ∴AB+BC=BF+BE= ❑√2BD(结论②); 由三角形全等可知 S =S , △DFA △DEC ❑√2 1 ∴ S 四边形ABCD= S 正方形DFBE=BF 2=( 2 BD)2= 2 BD2(结论③) 模型拓展: 拓展方向 将角平分线的条件去掉 条件 ∠ABC+∠ADC=180° 图示过点D分别作DE⊥AB于点E,DF⊥BC交 作∠BDG =∠ADC BC的延长线于点F 作辅助线 结论 △DAE∽△DCF △DAB∽△DCG 【模型4 “对角互补”模型】 【例4】(24-25八年级·重庆南岸·期末)在∠MAN内有一点D,过点D分别作DB⊥AM,DC⊥AN ,垂足分别为B,C.且BD=CD,点E,F分别在边AM和AN上. (1)如图1,若∠BED=∠CFD,请说明DE=DF; (2)如图2,若∠BDC=120°,∠EDF=60°,猜想EF,BE,CF具有的数量关系,并说明你的结论成 立的理由. 【变式4-1】(2024八年级·全国·专题练习)已知∠ABC=60°,∠ADC=120°,AB=BC,求证: ❑√3 AD+DC=BD,S =S +S = BD2. 四 边 形ABC△DABD △BCD 4 【变式4-2】(2024八年级·全国·专题练习)已知:∠ABC=∠ADC=90°,AD=DC,求证: BC+AB=❑√2BD.【变式4-3】(2024·河南濮阳·一模)如图1,在四边形ABCD中,AB=AD,∠B+∠ADC=180°,点E,F 1 分别在四边形ABCD的边BC,CD上,∠EAF= ∠BAD,连接EF,试猜想EF,BE,DF之间的数量关 2 系. (1)思路梳理 将△ABE绕点A逆时针旋转至△ADG,使AB与AD重合,由∠B+∠ADC=180°,得∠FDG=180°,即点 F,D,G三点共线,易证△AFG≌△AFE,故EF,BE,DF之间的数量关系为__; (2)类比引申 如图2,在图1的条件下,若点E,F由原来的位置分别变到四边形ABCD的边CB,DC延长线上, 1 ∠EAF= ∠BAD,连接EF,试猜想EF,BE,DF之间的数量关系,并给出证明. 2 (3)联想拓展 如图3,在△ABC中,∠BAC=90°,AB=AC,点D,E均在边BC上,且∠DAE=45°,若BD=1,EC=2, 直接写出DE的长为________________. 【模型五 “含60°角的菱形”模型】 模型特征: 条件 四边形ABCD为菱形,对角线AC与BD交于点O,∠ABC=60°图示 ①∠ABD=∠CBD=30°; ②△ABC和△ACD均为等边三角形; 结论 ③AB:AC:BD=1:1:❑√3; 1 ❑√3 ④S菱形ABCD= AC·BD= BC2 2 2 结论证明: ∵四边形ABCD 为菱形,∠ABC=60°, ∴∠ABD=∠CBD=30°(结论①),AB=BC=CD=AD, ∴△ABC 和△ACD 均为等边三角形(结论②). (有一个内角为60°的等腰三角形是等边三角形) ❑√3 在Rt△BOC中,OB=BC·cos 30°= BC 2 ∴BD=2OB=❑√3BC, ∴AB:AC:BD=1:1:❑√3 (结论③). 如图,过点A 作AE⊥BC,垂足为E. ❑√3 ❑√3 在Rt△ABE中,AE= AB= BC 2 2 1 ∵S菱形ABCD = AC·BD=BC·AE,(菱形的面积等于对角线乘积的一半.) 21 ❑√3 ∴S菱形ABCD = AC·BD= BC2(结论④). 2 2 【模型5 “含60°角的菱形”模型】 【例5】(24-25八年级·广东云浮·期末)综合与实践课上,智慧星小组三名同学对含60°角的菱形进行了 以下探究. 【背景】 在菱形ABCD中,∠B=60°,作∠MAN=∠B,AM,AN分别交BC,CD于点M,N. 【感知】 (1)如图1,若M是边BC的中点,小智经过探索发现了线段AM与AN之间的数量关系,请你直接写出 这个关系:____________________. 【探究】 (2)如图2,当M为边BC上任意一点时,判断(1)中的结论是否仍然成立,并说明理由. 【应用】 (3)如图3,在菱形纸片ABCD中,∠ABC=60°,AB=4,在边BC上取一点P,连接AP,在菱形内 部作∠PAN=60°,AN交CD于点N.当AP=❑√13时,求线段DN的长. 【变式5-1】(24-25八年级·北京西城·期末)小雨在参观故宫博物馆时,被太和殿窗棂的三交六椀菱花图 案所吸引,他从中提取出一个含60°角的菱形ABCD(如图1所示).若AB的长度为a,则菱形ABCD的 面积为( ) ❑√3a2 ❑√3a2 A. B. C.a2 D.❑√3a2 4 2【变式5-2】(24-25八年级·江苏无锡·阶段练习)含60°角的菱形A B C B ,A B C B ,A B C B 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 ,…,按如图的方式放置在平面直角坐标系xOy,点A ,A ,A ,…,和点B ,B ,B ,B ,…,分别 1 2 3 1 2 3 4 在直线y=kx和x轴上.已知B (2,0),B (4,0),则点A 的坐标是 ;点A 的坐标是 (n为正 1 2 1 n 整数). 【变式5-3】(24-25八年级·江西上饶·期中)【问题情境】 (1)数学探究课上,某兴趣小组探究含60°角的菱形的性质. 如图1,菱形ABCD的边长为2❑√3,∠ABC=60°,则∠ABD=______°,BD=______. 【操作发现】 (2)如图2,在图1的基础上,小贤在菱形ABCD的对角线BD上任取一点P(点P不与点B重合),以 AP为边向右侧作菱形APEF,且∠APE=60°,连接DF. ①求证:△ABP≌△ADF; ②随着点P位置的改变,∠BDF的度数是否发生变化?若不变,求出∠BDF的度数;若变化,请说明理 由. 【拓展延伸】 (3)在(2)中,连接PF,若DP=4,求此时PF的长.【模型六 “梯子”模型】 模型特征: 线段AB的两端点在坐标轴上滑动,∠ABC=90°,AB的中点为Q, 连接OQ,CQ,OC 条件 图示 结论 当O,Q,C三点共线时,OC取得最大值,最大值为OQ+CQ 结论证明: 1 ∵∠ABC=90°,AB的中点为Q,∴OQ=QB= AB. 2 在Rt△BQC中,由勾股定理,得CQ= =√ 1 2 ❑√QB2+BC2 ❑( AB) +BC2 2 在△OQC中,OC ≤ OQ+QC,∴当O,Q,C三点共线时,OC取得最大值,此时OC=OQ+CQ, ∴OC=1AB √ 1 2 +❑( AB) +BC2 2 2 【模型6 “梯子”模型】 【例6】(24-25八年级·江苏泰州·期中)如图,在Rt△ABC中,∠BAC=90°,AB=1,AC=4,点A在 y轴上,点C在x轴上,则点A在移动过程中,BO的最大值是 . 【变式6-1】(24-25八年级·湖北武汉·期末)如图,∠MON=90°,矩形ABCD在∠MON的内部,顶点 A,B分别在射线OM,ON上,AB=4,BC=2,则点D到点O的最大距离是 ①2❑√2-2;②2❑√2+2;③2❑√5-2;④❑√2+2【变式6-2】(2024八年级·全国·专题练习)如图所示,线段AB的两端在坐标轴上滑动,∠ABC=90°, AB的中点为Q,连接OQ,QC,求证:O,Q,C三点共线时,OC取得最大值. 【变式6-3】(24-25八年级·江苏盐城·期中)已知∠MON=90°,线段AB长为6cm,AB两端分别在OM、 ON上滑动,以AB为边作正方形ABCD,对角线AC、BD相交于点P,连结OC. (1)求证:无论点A、点B怎样运动,点P都在∠AOB的平分线上; (2)若OP=4❑√2,求OA的长. (3)求OC的最大值(提示:取AB的中点Q,连接CQ、OQ,运用两点之间,线段最短) 【模型七 “半角”模型】 模型特征: 拓展方向 特殊四边形中的“半角”模型 类型 90°含45° 120°含60° 特点 正方形ABCD,∠EAF=45° 菱形ABCD,∠BAD=120°,∠EAF=60°图示 变形 ①△ABG≌△ADF,△AGE≌△AFE; ①△ABE≌△ADG,△AEF≌△AGF; 结论 ②EF=BE+DF ②△AEF 为 等 边 三 角 形 ( 连 接 AC, 可 得 △AEC≌△AFD) 【模型7 “半角”模型】 【例7】(24-25八年级·广西南宁·期中)如图①,四边形ABCD是正方形,M,N分别在边CD、BC上, 且∠MAN=45°,我们称之为“半角模型”,在解决“半角模型”问题时,旋转是一种常用的方法,如图 ①,将△ADM绕点A顺时针旋转90°,点D与点B重合,连接AM、AN、MN. (1)试判断DM,BN,MN之间的数量关系; (2)如图②,点M、N分别在正方形ABCD的边BC、CD的延长线上,∠MAN=45°,连接MN,请写出 MN、DM、BN之间的数量关系,并写出证明过程. (3)如图③,在四边形ABCD中,AB=AD,∠BAD=120°,∠B+∠D=180°,点N,M分别在边BC ,CD上,∠MAN=60°,请直接写出BN,DM,MN之间数量关系. 【变式7-1】(24-25八年级·黑龙江齐齐哈尔·期末)综合与实践 (1)如图1,在正方形ABCD中,点M、N分别在AD、CD上,若∠MBN=45°,则MN,AM,CN的数量关系为 . (2)如图2,在四边形ABCD中,BC∥AD,AB=BC,∠A+∠C=180°,点M、N分别在AD、CD上,若 1 ∠MBN= ∠ABC,试探索线段MN、AM、CN有怎样的数量关系?请写出猜想,并给予证明. 2 (3)如图3,在四边形ABCD中,AB=BC,∠ABC+∠ADC=180°,点M、N分别在DA、CD的延长线 1 上,若∠MBN= ∠ABC,试探究线段MN、AM、CN的数量关系为 . 2 【变式7-2】(24-25八年级·山东威海·期末)(1)如图1,在四边形ABCD中,AB=AD, 1 ∠B=∠D=90°,E、F分别是边BC、CD上的点,若∠EAF= ∠BAD,可求得EF、BE、FD之间的 2 数量关系为________.(只思考解题思路,完成填空即可,不必书写证明过程) (2)如图2,在四边形ABCD中,AB=AD,∠B+∠ADC=180°,E、F分别是边BC、CD延长线上 1 的点,若∠EAF= ∠BAD,判断EF、BE、FD之间的数量关系还成立吗,若成立,请完成证明,若不 2 成立,请说明理由. 【变式7-3】(24-25八年级·四川达州·期末)将锐角为45°的直角三角板MPN的一个锐角顶点P与正方形ABCD的顶点A重合,正方形ABCD固定不动,然后将三角板绕着点A旋转,∠MPN的两边分别与正方形 的边BC、DC或其所在直线相交于点E、F,连接EF. (1)在三角板旋转过程中,当∠MPN的两边分别与正方形的边CB、DC相交时,如图1所示,请直接写 出线段BE、DF、EF满足的数量关系; (2)在三角板旋转过程中,当∠MPN的两边分别与正方形的边CB、DC的延长线相交时,如图2所示, 请直接写出线段BE、DF、EF满足的数量关系; (3)若正方形的边长为4,在三角板旋转过程中,当∠MPN的一边恰好经过BC边的中点时,试求线段 EF的长.