在一张纸上有一圆CC:(x+2)2+y2=r(r>0)(x+2)^{2}+y^{2}=r(r>0)与点M(m,0)(m≠−2)M(m,0)(m≠-2),折叠纸片,使圆CC上某一点M′M'恰好与点MM重合,这样的每次折法都会留下一条直线折痕PQPQ,设折痕PQPQ与直线M′CM'C的交点为TT,则下列说法正确的是()(\quad)
A. 当−2−r<m<−2+r-2-r< m< -2+r时,点TT的轨迹为椭圆
B. 当r=1r=1,m=2m=2时,点TT的轨迹方程为x2−y23=1x^{2}-\dfrac{y^{2}}{3}=1
C. 当m=2m=2,1⩽r⩽21\leqslant r\leqslant 2时,点TT的轨迹对应曲线的离心率取值范围为[2,4][2,4]
D. 当r=22r=2\sqrt{2},m=2m=2时,在TT的轨迹上任取一点SS,过SS作直线y=xy=x的垂线,垂足为NN,则△SON(O\triangle SON(O为坐标原点))的面积为定值

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完整解法

1. 分析选项A,确定点T的轨迹在特定范围内的类型

由折叠的对称性可知,折痕 PQPQ 是线段 M′MM'M 的垂直平分线,因此对于折痕 PQPQ 上的任意一点 TT,有 ∣TM∣=∣TM′∣|TM| = |TM'|。
因为 TT 在直线 M′CM'C 上,且当 −2−r<m<−2+r-2-r < m < -2+r 时,点 M(m,0)M(m,0) 在圆 CC(圆心为 C(−2,0)C(-2,0),半径为 rr)内部(即距离 ∣CM∣=∣m+2∣<r|CM| = |m+2| < r),
所以点 TT 必在线段 M′CM'C 上。
从而有 ∣TC∣+∣TM′∣=∣CM′∣=r|TC| + |TM'| = |CM'| = r。
代入 ∣TM′∣=∣TM∣|TM'| = |TM| 可得 ∣TC∣+∣TM∣=r|TC| + |TM| = r。
又因为 MM 在圆内,有 ∣CM∣<r|CM| < r,即 ∣TC∣+∣TM∣=r>∣CM∣|TC| + |TM| = r > |CM|。
根据椭圆的定义,点 TT 的轨迹是以 CC 和 MM 为焦点的椭圆,故A正确。

2. 分析选项B,求解特定参数下的轨迹方程

当 r=1,m=2r=1, m=2 时,点 M(2,0)M(2,0) 在圆 CC 外,
此时 TT 必在线段 M′CM'C 的延长线或反向延长线上,则 ∣∣TC∣−∣TM′∣∣=∣CM′∣=r=1||TC| - |TM'|| = |CM'| = r = 1,
由于 ∣TM′∣=∣TM∣|TM'| = |TM|,所以 ∣∣TC∣−∣TM∣∣=1||TC| - |TM|| = 1。
又因为此时焦距 2c=∣CM∣=∣2−(−2)∣=4>r=12c = |CM| = |2 - (-2)| = 4 > r = 1,
根据双曲线的定义,点 TT 的轨迹是以 C(−2,0),M(2,0)C(-2,0), M(2,0) 为焦点的双曲线,
其实半轴 a = rac{r}{2} = rac{1}{2},半焦距 c=2c = 2,
虚半轴平方 b^2 = c^2 - a^2 = 4 - rac{1}{4} = rac{15}{4},
所以轨迹方程为 x214−y2154=1\dfrac{x^2}{\dfrac{1}{4}} - \dfrac{y^2}{\dfrac{15}{4}} = 1,即 4x2−4y215=14x^2 - \dfrac{4y^2}{15} = 1。
选项B中轨迹方程错误,故B错误。

3. 分析选项C,确定离心率的取值范围

当 m=2,1⩽r⩽2m=2, 1 \leqslant r \leqslant 2 时,由上述分析可知轨迹为双曲线,且半焦距 c=2c = 2 不变,
实半轴为 a=r2a = \frac{r}{2},
所以离心率 e=ca=2r2=4re = \dfrac{c}{a} = \dfrac{2}{\dfrac{r}{2}} = \dfrac{4}{r}。
因为 1⩽r⩽21 \leqslant r \leqslant 2,
所以 2⩽4r⩽42 \leqslant \dfrac{4}{r} \leqslant 4,即 e∈[2,4]e \in [2, 4],故C正确。

4. 分析选项D,用坐标法求三角形面积并判断是否为定值

当 r=22,m=2r=2\sqrt{2}, m=2 时,轨迹为双曲线,其中 a=2a = \sqrt{2},c=2c = 2,
则 b2=c2−a2=4−2=2b^2 = c^2 - a^2 = 4 - 2 = 2。
轨迹方程为 x2−y2=2x^2 - y^2 = 2。
设轨迹上任一点为 S(p,q)S(p,q),则 p2−q2=2p^2 - q^2 = 2。
过 SS 作直线 y=xy=x 的垂线 SNSN,由于直线的斜率为 11,垂线斜率为 −1-1,
垂线 SNSN 的方程为 y−q=−(x−p)y - q = -(x - p),即 x+y=p+qx+y = p+q。
联立 {x+y=p+qy=x\begin{cases} x+y=p+q \\ y=x \end{cases} 解得垂足 N(p+q2,p+q2)N\left(\dfrac{p+q}{2}, \dfrac{p+q}{2}\right)。
利用距离公式,有:
|ON| = \sqrt{\left(\dfrac{p+q}{2}\right)^2 + \left(\dfrac{p+q}{2} ight)^2} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}|p+q|,
∣SN∣=∣p−q∣12+(−1)2=∣p−q∣2|SN| = \dfrac{|p-q|}{\sqrt{1^2 + (-1)^2}} = \dfrac{|p-q|}{\sqrt{2}}。
由于 △SON\triangle SON 是直角三角形(∠SNO=90∘\angle SNO = 90^\circ),
其面积 S△SON=12∣ON∣⋅∣SN∣=12⋅22∣p+q∣⋅∣p−q∣2=14∣p2−q2∣S_{\triangle SON} = \dfrac{1}{2} |ON| \cdot |SN| = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2}|p+q| \cdot \dfrac{|p-q|}{\sqrt{2}} = \dfrac{1}{4}|p^2 - q^2|。
因为 p2−q2=2p^2 - q^2 = 2,代入可得 S△SON=14×2=12S_{\triangle SON} = \dfrac{1}{4} \times 2 = \dfrac{1}{2} 为定值,故D正确。

答案

ACD

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