2.3.3 直线与圆的位置关系-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二数学选择性必修第一册同步课堂高效讲义配套课件(人教B版2019)
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教辅
内容正文:
第二章
平面解析几何
第二章 平面解析几何
新 知 形 成
合 作 探 究
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选择性必修 第一册 B
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2.3.3 直线与圆的位置关系
第二章 平面解析几何
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新知形成 夯实基础
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课 时 精 练(十五)
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第二章 平面解析几何
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[课标解读]1.直线与圆的位置关系.2.直线与圆的方程的应用.
知识点 直线Ax+By+C=0(A2+B2≠0)与圆(x-a)2
+(y-b)2=r2(r>0)的位置关系及判断
位置关系
相交
相切
相离
公共点个数
____个
____个
____个
判定方法
几何法:设圆心到直线的距离d= eq \f(|Aa+Bb+C|,\r(A2+B2))
d___r
d____r
d_____r
位置关系
相交
相切
相离
判定方法
代数法:由 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Ax+By+C=0,, (x-a)2+(y-b)2=r2))
消元得到一元二次方程,判别式为Δ
Δ____0
Δ____0
Δ____0
图形
eq \a\vs4\al(特别提醒)
(1)利用代数法判断直线与圆的位置关系时,不必求出方程组的实数解,只需将直线方程代入到圆的方程中,并消去一个未知数,得到一个关于x(或y)的一元二次方程,由Δ与0的大小关系判断方程解的个数,进一步判断两者的位置关系.
(2)利用几何法判断直线与圆的位置关系时,必须准确计算出圆心坐标、圆的半径长及圆心到直线的距离.
(3)对于具体用哪种方法判断直线与圆的位置关系,应由条件而定,代数法是从方程角度考虑,但较烦琐;几何法是从几何角度考虑,方法简单,是判断直线与圆位置关系的常用方法.
1.若直线l与圆C有公共点,则直线l与圆C的位置关系是( )
A.相交
B.相切
C.相离
D.相切或相交
D [当只有一个公共点时,直线l与圆C相切;当有两个公共点时,直线l与圆C相交.]
2.直线2x-y+3=0与圆C:x2+(y-1)2=5的位置关系是( )
A.相交
B.相切
C.相离
D.不确定
A [圆C:x2+(y-1)2=5的圆心C为(0,1),半径为 eq \r(5).
圆心(0,1)到直线2x-y+3=0的距离
d= eq \f(|-1+3|,\r(22+(-1)2))= eq \f(2,5)
eq \r(5)< eq \r(5),∴直线和圆相交.]
3.(多选)若直线3x+4y=b与圆x2+y2-2x-2y+1=0相切,则实数b的值是( )
A.-2
B.-12
C.2
D.12
CD [圆的方程为x2+y2-2x-2y+1=0,
可化为标准方程(x-1)2+(y-1)2=1,
由圆心(1,1)到直线3x+4y-b=0的距离为 eq \f(|7-b|,5) =1,解得b=2或12.]
4.直线x-2y+5=0与圆x2+y2=8相交于A,B两点,则|AB|= _________.
解析: 由已知得,圆心(0,0)到直线x-2y+5=0的距离为d= eq \f(5,\r(5))= eq \r(5),
所以|AB|=2 eq \r(r2-d2)=2 eq \r(8-5)=2 eq \r(3).
答案: 2 eq \r(3)
题型一 直线与圆的位置关系的判断
已知直线方程mx-y-m-1=0,圆的方程x2+y2-4x-2y+1=0.当m为何值时,圆与直线:
(1)有两个公共点;
(2)只有一个公共点;
(3)没有公共点.
[思路点拨] 思路一:联立直线与圆的方程→整理成关于x(或y)的一元二次方程→判断判别式的符号→得出结论.
思路二:求圆的圆心C,半径r→圆心到直线的距离d→判断d与r的大小关系→得出结论.
解析: 方法一:将直线mx-y-m-1=0代入圆的方程化简整理,得(1+m2)x2-2(m2+2m+2)x+m2+4m+4=0,
Δ=4m(3m+4).
(1)当Δ>0时,即m>0或m<- eq \f(4,3)时,直线与圆相交,即直线与圆有两个公共点;
(2)当Δ=0时,即m=0或m=- eq \f(4,3)时,直线与圆相切,即直线与圆只有一个公共点;
(3)当Δ<0时,即- eq \f(4,3)<m<0时,直线与圆相离,即直线与圆没有公共点.
方法二:已知圆的方程可化为(x-2)2+(y-1)2=4,
即圆心为C(2,1),半径r=2.
圆心C(2,1)到直线mx-y-m-1=0的距离
d= eq \f(|2m-1-m-1|,\r(1+m2))= eq \f(|m-2|,\r(1+m2)) .
(1)当d<2时,即m>0或m<- eq \f(4,3)时,直线与圆相交,即直线与圆有两个公共点;
(2)当d=2,即m=0或m=- eq \f(4,3)时,直线与圆相切,即直线与圆只有一个公共点;
(3)当d>2时,即- eq \f(4,3)<m<0时,直线与圆相离,即直线与圆没有公共点.
eq \a\vs4\al(方法技巧)
判断直线与圆位置关系的三种方法
(1)几何法:由圆心到直线的距离d与圆的半径r的大小关系判断.
(2)代数法:根据直线与圆的方程组成的方程组解的个数来判断.
(3)直线系法:若直线恒过定点,可通过判断定点与圆的位置关系判断,但有一定的局限性,必须是过定点的直线系.
即时练1.已知圆C: x2+y2-4x=0,l是过点P(3,0)的直线,则( )
A.l与C相交
B.l与C相切
C.l与C相离
D.以上三个选项均有可能
A [将点P(3,0)代入圆的方程,得32+02-4×3=9-12=-3<0,
∴点P(3,0)在圆内.
∴过点P的直线l必与圆C相交.]
即时练2.若直线x-y=0与圆(x-1)2+(y+1)2=m相离,则实数m的取值范围是( )
A.(0,2]
B.(1,2]
C.(0,2)
D.(1,2)
C [由题意得,圆心到直线的距离为d= eq \f(|1+1|,\r(12+(-1)2))> eq \r(m),
∴m<2,∵m>0,∴0<m<2.]
题型二 求圆的切线方程
经过点P(4,5),且与圆(x-2)2+y2=4相切的直线的方程为_________.
[思路点拨]
解析: 因为(4-2)2+52=29>4,所以点P在圆(x-2)2+y2=4外.
方法一:若切线的斜率存在,
设切线的方程为y-5=k(x-4),即kx-y+5-4k=0.
又圆心为(2,0),半径r=2,且圆心到切线的距离等于半径,所以 eq \f(|2k-0+5-4k|,\r(k2+1))=2,解得k= eq \f(21,20),
所以直线的方程为21x-20y+16=0.
若切线的斜率不存在,则切线的方程为x=4,显然满足题意.
综上可知,满足题意的切线的方程为21x-20y+16=0或x=4.
方法二:设所求切线方程为(x0-2)(x-2)+y0y=4,其中(x0,y0)是圆上的切点.将点(4,5)代入后,得2(x0-2)+5y0=4.
由eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2(x0-2)+5y0=4,,(x0-2)2+y=4,))
解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x0=4,,y0=0))或 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x0=\f(16,29),,y0=\f(40,29).))
故所求切线方程为x=4或21x-20y+16=0.
答案: x=4或21x-20y+16=0
eq \a\vs4\al(方法技巧)
求切线方程的常用方法
(1)求过圆上一点(x0,y0)的圆的切线方程的方法
先求切点与圆心的连线所在直线的斜率k,再由垂直关系知切线的斜率为- eq \f(1,k),由点斜式方程可得切线方程.若k=0或k不存在,则切线的斜率不存在或为0,从而可直接得切线方程为x=x0或y=y0.
(2)求过圆外一点(x0,y0)的圆的切线方程的方法
①几何法.设切线方程为y-y0=k(x-x0),即kx-y-kx0+y0=0,由圆心到直线的距离等于半径长,可求得k,切线方程即可求出.
②代数法.设切线方程为y-y0=k(x-x0),即y=kx-kx0+y0,代入圆的方程,得到一个关于x的一元二次方程,由Δ=0,求得k,切线方程即可求出.
注意:过圆外一点的切线必有两条,当几何法或代数法求得的k值只有一个时,则另一条切线的斜率一定不存在,可由数形结合求出.
即时练3.已知圆C:(x-3)2+y2=1.
(1)过点P(0,1)作直线l与圆C相切,切线长为_________,直线l的方程为_________;
(2)过点P(2,3)作直线l与圆C相切,则直线l的方程为_________;
(3)过直线y=x+1上一点P向圆C引切线,Q为切点,则|PQ|的最小值为_________.
解析: (1)如图,设切点为Q,连接PC,CQ,则△PCQ为直角三角形,且∠CQP=90°.
而|CP|2=32+12=10,|CQ|=r=1,
所以|PQ|2=|PC|2-|CQ|2=10-1=9,则|PQ|=3.
依题意可设直线l:y=kx+1,即kx-y+1=0.
圆心C(3,0)到直线l的距离d= eq \f(|3k+1|,\r(1+k2))=1,
整理得4k2+3k=0,解得k=- eq \f(3,4)或k=0.
故直线l的方程为y=1或3x+4y-4=0.
(2)当直线l的斜率存在时,
设直线l:y-3=k(x-2),即kx-y+3-2k=0,
圆心C(3,0)到直线l的距离为d= eq \f(|k+3|,\r(1+k2))=1,
化简整理得3k+4=0,即k=- eq \f(4,3),
这时直线l的方程为4x+3y-17=0;
当直线l的斜率不存在时,其方程为x=2,易知它与圆(x-3)2+y2=1相切.
故直线l的方程为4x+3y-17=0或x=2.
(3)法一:如图,连接PC,CQ,则三角形PCQ为直角三角形,且∠CQP=90°.
设点P(a,a+1)(a∈R),
则|PQ|2=|PC|2-|CQ|2=(a-3)2+(a+1)2-1=2a2-4a+9=2(a-1)2+7≥7(当且仅当a=1时等号成立).
故|PQ|≥ eq \r(7),即|PQ|的最小值为 eq \r(7).
法二:如图,连接PC,CQ,则△PCQ为直角三角形,且∠CQP=90°.
则|PQ|2=|PC|2-|CQ|2,|CQ|=1.
当|PC|取得最小值时|PQ|最小,而点P是直线y=x+1的动点,所以当CP垂直于直线y=x+1时,|CP|最小,
此时|CP|= eq \f(|3-0+1|,\r(12+(-1)2))= eq \f(4,\r(2))=2 eq \r(2),
|PQ|2=|PC|2-|CQ|2=8-1=7,|PQ|= eq \r(7).
故|PQ|的最小值为 eq \r(7).
答案: (1)3 y=1或3x+4y-4=0 (2)4x+3y-17=0或x=2 (3) eq \r(7)
题型三 圆的弦长问题
求直线x- eq \r(3)y+2 eq \r(3)=0被圆x2+y2=4截得的弦长.
[思路点拨] 法一:求直线与圆的交点坐标,由距离公式求弦长.
法二:几何法构造直角三角形求弦长.
解析: 法一: 直线x- eq \r(3)y+2 eq \r(3)=0和圆x2+y2=4的公共点坐标就是方程组
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x-\r(3)y+2\r(3)=0,,x2+y2=4))的解.
解这个方程组,得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x1=-\r(3),,y1=1,))
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2=0,,y2=2.))
所以公共点的坐标为(- eq \r(3),1),(0,2),
所以直线x- eq \r(3)y+2 eq \r(3)=0被圆x2+y2=4截得的弦长为 eq \r((-\r(3)-0)2+(1-2)2)=2.
法二: 如图,设直线x- eq \r(3)y+2 eq \r(3)=0与圆x2+y2=4交于A,B两点,弦AB的中点为M,则OM⊥AB(O为坐标原点),
又|OM|= eq \f(|0-0+2\r(3)|,\r(12+(-\r(3))2))= eq \r(3),
所以|AB|=2|AM|=2 eq \r(|OA|2-|OM|2)=2 eq \r(22-(\r(3))2)=2.
eq \a\vs4\al(方法技巧)
求弦长的两种方法
(1)几何法.由于半径r、弦长距d、弦长l的一半构成直角三角形,所以利用d2+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,2)))
eq \s\up12(2)=r2求解,这是常用解法.
(2)代数法.联立直线与圆的方程,消元得到关于x(或y)的一元二次方程,利用根与系数的关系得到两交点横坐标(或纵坐标)之间的关系,代入两点间的距离公式求解.此解法较烦琐,一般不用.
即时练4.已知圆的方程为x2+y2=8,圆内有一点P(-1,2),AB为过点P且倾斜角为α的弦.
(1)当α=135°时,求AB的长;
(2)当弦AB被点P平分时,写出直线AB的方程.
解析: (1)方法一:如图所示,过点O作OC⊥AB.
由已知条件得直线AB的斜率为
k=tan 135°=-1,
所以直线AB的方程为
y-2=-(x+1),
即x+y-1=0.
因为圆心为O(0,0),
所以|OC|= eq \f(|-1|,\r(2))= eq \f(\r(2),2).
因为r=2 eq \r(2),所以|BC|= eq \r(8-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(2),2)))\s\up12(2))= eq \f(\r(30),2),
所以|AB|=2|BC|= eq \r(30).
方法二:当α=135°时,直线AB的方程为y-2=-(x+1),
即y=-x+1,代入x2+y2=8,
得2x2-2x-7=0.
所以x1+x2=1,x1x2=- eq \f(7,2),
所以|AB|= eq \r(1+k2)|x1-x2|
= eq \r((1+1)[(x1+x2)2-4x1x2])
= eq \r(30).
(2)如图,当弦AB被点P平分时,
OP⊥AB,
因为kOP=-2,所以kAB= eq \f(1,2),
所以直线AB的方程为y-2= eq \f(1,2)(x+1),即x-2y+5=0.
题型四 直线与圆位置关系的综合应用
为了适应市场需要,某地准备建一个圆形生猪储备基地(如图),它的附近有一条公路,从基地中心O处向正东方向走1 km是储备基地的边界上的点A,接着向东再走7 km到达公路上的点B.从基地中心O向正北方向走8 km到达公路的另一点C.现准备在储备基地的边界上选一点D,修建一条由D通往公路BC的专用线DE,求|DE|的最小值.
[思路点拨]
解析: 以O为坐标原点,OB,OC所在的直线分别为x轴、y轴,正东方向为x轴正方向,正北方向为y轴正方向,建立平面直角坐标系,则圆O的方程为x2+y2=1.
因为点B(8,0),C(0,8),
所以直线BC的方程为 eq \f(x,8)+ eq \f(y,8)=1,即x+y-8=0.
易知,当O,D,E三点共线且OE⊥BC时,DE的长最小,由图得,当中心O到直线BC的距离减去半径得到|DE|的最小值为 eq \f(|0+0-8|,\r(2))-1=(4 eq \r(2)-1)(km).
故|DE|的最小值为(4 eq \r(2)-1)km.
eq \a\vs4\al(方法技巧)
有关直线与圆的方程的实际应用问题的解题步骤
即时练5.(2020·河北石家庄检测)在△ABO中,|OB|=3,|OA|=4,|AB|=5,P是△ABO的内切圆上的一点,求以|PA|,|PB|,|PO|为直径的三个圆的面积之和的最大值与最小值.
解析: 以O为坐标原点,OA,OB所在直线分别为x轴、y轴建立如图所示的平面直角坐标系,则A(4,0),B(0,3),O(0,0).
设△AOB的内切圆的半径为r,点P的坐标为(x,y),
则2r+|AB|=|OA|+|OB|,得2r+5=4+3,即内切圆的圆心为(1,1).∴r=1.
∴内切圆的方程为(x-1)2+(y-1)2=1,
即x2+y2-2y=2x-1. ①
又|PA|2+|PB|2+|PO|2
=(x-4)2+y2+x2+(y-3)2+x2+y2
=3x2+3y2-8x-6y+25, ②
将①代入②,得
|PA|2+|PB|2+|PO|2=3(2x-1)-8x+25
=-2x+22.
∵P(x,y)是内切圆上的点,∴0≤x≤2,
∴|PA|2+|PB|2+|PO|2的最大值为22,最小值为18.
又三个圆的面积之和为π eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(|PA|,2)))
eq \s\up12(2)+π eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(|PB|,2)))
eq \s\up12(2)+π eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(|PO|,2)))
eq \s\up12(2)= eq \f(π,4)(|PA|2+|PB|2+|PO|2),
∴以|PA|,|PB|,|PO|为直径的三个圆的面积之和的最大值为 eq \f(11,2)π,最小值为 eq \f(9,2)π.
易错点 求切线方程时忽略斜率不存在的情况
过点P(6,-8)与圆C:x2+y2-2x-4y-20=0相切的直线方程为_________.
[正解] 圆的标准方程为(x-1)2+(y-2)2=25,
∴圆心的坐标为C(1,2),半径r=5.
易知点P(6,-8)在圆C的外部,
显然直线x=6是其中一条切线,
设另一条切线的斜率为k,
则另一条切线的方程为y+8=k(x-6),
即kx-y-6k-8=0.
由圆心到切线的距离等于半径,得 eq \f(|k-2-6k-8|,\r(k2+1))=5,
解得k=- eq \f(3,4).
∴切线的方程为- eq \f(3,4)x-y-6× eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(3,4)))-8=0,
即3x+4y+14=0.
综上可知,切线的方程为x=6和3x+4y+14=0.
答案: x=6和3x+4y+14=0.
[易错探因] 解本题时容易只考虑斜率存在的情况,忽略斜率不存在的情况,即忽略切线x=6,从而造成漏解.
[误区警示] 过圆外一点作圆的切线有两条,所以如果设出斜率后只求出一值,说明另一条切线的斜率不存在,可以直接求得切线.
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