内容正文:
数学 选择性必修 第一册 导学案 【湘教】
第2课时 直线与椭圆的位置关系
(教师独具内容)
课程标准:1.进一步巩固椭圆的简单几何性质.2.掌握直线与椭圆的位置关系及其应用.
教学重点:1.直线与椭圆的三种位置关系.2.直线与椭圆相交所得弦长的计算.
教学难点:直线与椭圆位置关系的综合问题.
核心素养:通过学习直线与椭圆的位置关系及直线与椭圆相交所得弦长的计算,培养直观想象素养、逻辑推理素养、数学抽象素养和数学运算素养.
核心概念掌握
知识点 直线与椭圆的位置关系
直线y=kx+m与椭圆+=1(a>b>0)的位置关系的判断方法:联立
消去y(或x)得到一个关于x(或y)的一元二次方程.
位置关系
公共点的个数
Δ的取值
相交
两个公共点
Δ>0
相切
一个公共点
Δ=0
相离
无公共点
Δ<0
注意:直线与椭圆只有一个公共点是直线与该椭圆相切的充要条件.
1.点与椭圆的位置关系
设P(x0,y0),椭圆+=1(a>b>0),则点P与椭圆的位置关系如下表所示:
位置关系
满足条件
P在椭圆外
+>1
P在椭圆上
+=1
P在椭圆内
+<1
2.求弦长的两种方法
(1)求出弦两端点的坐标,然后利用两点间的距离公式求解;
(2)结合根与系数的关系,利用弦长公式
l=
或l=求解.
3.椭圆的通径
如图,过椭圆的一个焦点且与长轴垂直的弦|AB|=,称为通径.
4.解决椭圆中点弦问题的三种方法
(1)根与系数的关系法;
(2)点差法;
(3)共线法.
5.椭圆+=1(a>0,b>0)上一点P(x0,y0)处的切线方程为+=1;从该椭圆外一点P1(x1,y1)所引的两条切线的切点弦方程为+=1.
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)若直线的斜率一定,则当直线过椭圆的中心时,弦长最大.( )
(2)直线-y=1被椭圆+y2=1截得的弦长为.( )
(3)已知椭圆+=1(a>b>0)与点P(b,0),过点P可作出该椭圆的一条切线.( )
(4)直线y=kx+1与椭圆+y2=1相交.( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)×
2.做一做
(1)直线y=kx-k+1(k≠0)与椭圆+=1的位置关系是( )
A.相交 B.相切
C.相离 D.不确定
(2)直线y=x-1被椭圆2x2+y2=4所截得的弦的中点坐标是____.
(3)已知F1为椭圆C:+y2=1的左焦点,直线l:y=x-1与椭圆C交于A,B两点,那么|F1A|+|F1B|的值为____.
答案 (1)A (2) (3)
核心素养形成
题型一 直线与椭圆的位置关系
例1 k为何值时,直线y=kx+2和椭圆2x2+3y2=6有两个公共点?有一个公共点?没有公共点?
[解] 联立得(2+3k2)x2+12kx+6=0,
因为Δ=24(3k2-2),
当Δ>0,即k>或k<-时,直线与椭圆有两个公共点;
当Δ=0,即k=±时,直线与椭圆有一个公共点;
当Δ<0,即-<k<时,直线与椭圆没有公共点.
感悟提升
(1)判断直线与椭圆的公共点个数时,可直接求解相应方程组得到公共点坐标,也可利用消元后的一元二次方程根的判别式来确定,需注意利用判别式的前提是二次项系数不为0.
(2)依据直线与椭圆的公共点个数求参数时,联立方程并消元,得到一元二次方程,将方程解的个数转化为判别式与0的大小关系求解.
[跟踪训练1] 已知椭圆E:+=1,直线l:y=x+m与椭圆E有两个公共点,则实数m的取值范围是____.
答案 (-2,2)
解析 联立方程消去y,得3x2+4mx+2m2-8=0.因为Δ=16m2-12(2m2-8)=-8(m2-12),直线与椭圆E有两个公共点,所以Δ>0,即-8(m2-12)>0.所以-2<m<2.故实数m的取值范围是(-2,2).
题型二 弦长问题
例2 已知斜率为2的直线经过椭圆+=1的右焦点F1,与椭圆相交于A,B两点,求弦AB的长.
[解] 因为直线l过椭圆+=1的右焦点F1(1,0),又直线的斜率为2,所以直线l的方程为y=2(x-1),即y=2x-2.
解法一:解方程组
得交点A(0,-2),B,
所以|AB|=
=
==.
解法二:设A(x1,y1),B(x2,y2),
由方程组
消去y得3x2-5x=0,
因为Δ=(-5)2=25>0,
则x1+x2=,x1x2=0.
所以|AB|=
==.
解法三:由方程组
消去x得3y2+2y-8=0,
因为Δ=22-4×3×(-8)=100>0,
则y1+y2=-,y1y2=-,
所以|AB|=
=
=.
感悟提升
直线与椭圆相交弦长的求法
(1)直接利用两点间距离公式:当弦的两端点的坐标易求时,可直接求出交点坐标,再用两点间距离公式求弦长.
(2)弦长公式:当弦的两端点的坐标不易求时,可用弦长公式.设直线与椭圆交于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,则有
|AB|=
=
=·
=
=·(k为直线斜率).
提醒:(1)如果直线方程涉及斜率,要注意斜率不存在的情况.
(2)在应用根与系数的关系时,应保证Δ>0.
[跟踪训练2] 已知椭圆C:+=1(a>b>0)上任意一点到两个焦点的距离之和为6,其离心率为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过点(0,-2)的直线l与椭圆C交于A,B两点,且|AB|=2,求直线l的方程.
解 (1)由椭圆定义知2a=6,∴a=3.
又e=,∴c=,∴b2=3,
∴椭圆C的方程为+=1.
(2)当直线l的斜率不存在时,直线l:x=0,
此时|AB|=2,符合题意;
当直线l的斜率存在时,设直线l:y=kx-2,A(x1,y1),B(x2,y2),联立
得(3k2+1)x2-12kx+3=0,
由Δ>0,得k>或k<-.
∴x1+x2=,x1x2=
∴|AB|=|x1-x2|
==2,
解得k=±1,符合Δ>0.
综上,直线l的方程为x-y-2=0或x+y+2=0或x=0.
题型三 中点弦问题
例3 已知椭圆+=1的弦AB的中点M的坐标为(2,1),求直线AB的方程.
[解] 解法一:(根与系数的关系法)
由椭圆的对称性,知直线AB的斜率存在,
设直线AB的方程为y-1=k(x-2).
将其代入椭圆的方程并整理,
得(4k2+1)x2-8(2k2-k)x+4(2k-1)2-16=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1,x2是上述方程的两根,
于是x1+x2=.
又M为线段AB的中点,
∴==2,解得k=-.
故所求直线的方程为x+2y-4=0.
解法二:(点差法)
设A(x1,y1),B(x2,y2),x1≠x2.
∵M(2,1)为线段AB的中点,
∴x1+x2=4,y1+y2=2.
又A,B两点在椭圆上,
则x+4y=16,x+4y=16,
两式相减,得(x-x)+4(y-y)=0,
于是(x1+x2)(x1-x2)+4(y1+y2)(y1-y2)=0.
∴=-=-=-,
即kAB=-.
故所求直线的方程为x+2y-4=0.
解法三:[对称点法(或共线法)]
设所求直线与椭圆的一个交点为A(x,y),
由于点M(2,1)为线段AB的中点,
则另一个交点为B(4-x,2-y).
∵A,B两点都在椭圆上,
∴
①-②,得x+2y-4=0.
即点A的坐标满足这个方程,根据对称性,点B的坐标也满足这个方程,而过A,B两点的直线只有一条,
故所求直线的方程为x+2y-4=0.
感悟提升
解决椭圆中点弦问题的三种方法
(1)根与系数的关系法:联立直线方程和椭圆方程构成方程组,消去一个未知数,利用一元二次方程根与系数的关系以及中点坐标公式解决.
(2)点差法:利用端点在曲线上,坐标满足方程,将端点坐标分别代入椭圆方程,然后作差,构造出中点坐标和斜率的关系.
(3)共线法:利用中点坐标公式,如果弦的中点为P(x0,y0),设其一交点为A(x,y),则另一交点为B(2x0-x,2y0-y),
则
两式作差即得所求直线方程.
这三种方法中点差法最为常用,点差法中体现的设而不求思想还可以用于解决对称问题,因为这类问题也与弦中点和斜率有关.
与弦中点有关的问题有平行弦的中点轨迹、过定点且被定点平分的弦所在的直线方程等.这类问题的解决,从不同的角度体现了判别式、根与系数的关系、点差法、椭圆的性质、线段的垂直平分线的性质等知识在直线与椭圆的位置关系中的作用,解法多、方法活.
[跟踪训练3] 一组平行直线y=2x+b与椭圆+=1相交,求弦的中点M的轨迹方程.
解 设y=2x+b与椭圆+=1的两交点P(x1,y1),Q(x2,y2)的中点为M(x,y),x1+x2=2x,y1+y2=2y,
则
两式相减得
=-,
即-=2·,即3x+8y=0,
又消去y得x=±,
所以弦的中点M的轨迹方程为3x+8y=0.
题型四 直线与椭圆的综合问题
例4 已知椭圆C:+=1(a>b>0)的短轴长为2,且椭圆C的离心率为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过椭圆C的上焦点作相互垂直的弦AB,CD,求证:+为定值.
[解] (1)由题意可知2b=2,b=1.
又=,a2=b2+c2,所以a=,c=1.
故椭圆C的方程为+x2=1.
(2)证明:当直线AB的斜率不存在或为零时,+=;
当直线AB的斜率存在,且不为零时,设直线AB的方程为y=kx+1,A(x1,y1),B(x2,y2),
联立
消去y,整理得(k2+2)x2+2kx-1=0,
因为Δ>0,
所以x1+x2=-,x1x2=-,
故|AB|=·
=.
同理可得|CD|=,
所以+=+==.
综上所述,+为定值.
感悟提升
解决直线与椭圆综合问题的注意点
(1)根据条件设出合适的直线的方程,当不知直线的斜率是否存在时需要分两种情况讨论.
(2)在具体求解时,常采用设而不求、整体代换的方法,可使运算简单.
(3)不要忽视判别式的作用,在解题中判别式起到了限制参数范围的作用,这一点容易被忽视.
[跟踪训练4] 已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,短轴长为2.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)设直线l:y=kx+m与椭圆C交于A,B两点,M为AB的中点,N(-1,0),当△AOB(点O为坐标原点)的面积S最大时,求|MN|的取值范围.
解 (1)依题意,=,2b=2,
又a2=b2+c2,∴b=,a=2,
∴椭圆C的标准方程为+=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),M(x0,y0),
由消去y,
得(2k2+1)x2+4mkx+2m2-4=0,
Δ=32k2-8m2+16>0,
则x1+x2=-,x1x2=.
易知点O到直线l的距离d=,
∴△AOB的面积S=·d·|AB|
=···
=·
≤·=,
当且仅当m2=4k2+2-m2,即m2=2k2+1时,S取得最大值,
此时x0==-=-,y0=kx0+m=-+m=.
又N(-1,0),
∴|MN|=
==
==.
设=t,则m2=2m2t2+1,即(1-2t2)m2=1,得m2=>0,
∴-<t<,即-<<,
∴|MN|∈(-1,+1),
即|MN|的取值范围为(-1,+1).
随堂水平达标
1.若直线kx-y+3=0与椭圆+=1有两个公共点,则实数k的取值范围是( )
A.-<k< B.k=或k=-
C.k>或k<- D.k<且k≠-
答案 C
解析 由可得(4k2+1)x2+24kx+20=0,当Δ=16(16k2-5)>0,即k>或k<-时,直线与椭圆有两个公共点.故选C.
2.直线y=x与椭圆+y2=1相交于A,B两点,则|AB|等于( )
A.2 B.
C. D.
答案 C
解析 由得x2=1,可得A,B.由两点间的距离公式得|AB|===.
3.(多选)设椭圆的方程为+=1,斜率为k的直线不经过原点O,而且与椭圆相交于A,B两点,M为线段AB的中点,下列结论正确的是( )
A.直线AB与OM垂直
B.若点M的坐标为(1,1),则直线方程为2x+y-3=0
C.若直线方程为y=x+1,则点M的坐标为
D.若直线方程为y=x+2,则|AB|=
答案 BD
解析 对于A,因为在椭圆中,根据椭圆中点弦的性质有kAB·kOM=-=-2≠-1,故A错误;对于B,根据kAB·kOM=-2,kOM=1,得kAB=-2,所以直线方程为y-1=-2(x-1),即2x+y-3=0,故B正确;对于C,若直线方程为y=x+1,点M,则kAB·kOM=1×4=4≠-2,故C错误;对于D,若直线方程为y=x+2,与椭圆方程+=1联立,得2x2+(x+2)2-4=0,整理得3x2+4x=0,解得x1=0,x2=-,所以|AB|=·=,故D正确.故选BD.
4.与椭圆+y2=1有相同的焦点且与直线l:x-y+3=0相切的椭圆的离心率为____.
答案
解析 因为所求椭圆与椭圆+y2=1有相同的焦点,所以可设所求椭圆的方程为+=1(a>1),联立方程组⇒(2a2-1)x2+6a2x+10a2-a4=0,因为直线l与椭圆相切,所以Δ=36a4-4(2a2-1)(10a2-a4)=0,化简得a4-6a2+5=0,即a2=5或a2=1(舍去),则a=.又c=1,所以e===.
5.椭圆ax2+by2=1与直线x+y-1=0相交于A,B两点,C是AB的中点,若|AB|=2,OC的斜率为,求椭圆的方程.
解 设A(x1,y1),B(x2,y2),
代入椭圆方程,得
ax+by=1,①
ax+by=1.②
②-①,得a(x2+x1)(x2-x1)+b(y2+y1)·(y2-y1)=0.
而=kAB=-1,=kOC=,
则b=a.
又|AB|=|x2-x1|=|x2-x1|=2,
所以|x2-x1|=2.
又由得(a+b)x2-2bx+b-1=0,
所以Δ=4(a+b-ab)>0⇒a+b>ab.
x1+x2=,x1x2=.
所以|x2-x1|2=(x1+x2)2-4x1x2
=-4·=4,
将b=a代入,得a=,b=,满足Δ>0.
所以所求椭圆的方程为+y2=1.
课后课时精练
一、选择题
1.直线mx+ny=4与圆O:x2+y2=4没有公共点,则过点(m,n)的直线与椭圆+=1的公共点( )
A.至多有一个 B.有2个
C.有1个 D.没有
答案 B
解析 ∵直线mx+ny=4与圆O:x2+y2=4没有公共点,∴>2,∴m2+n2<4,∴+<+=1-m2≤1,∴点(m,n)在椭圆+=1的内部,∴过点(m,n)的直线与椭圆+=1的公共点有2个.
2.已知F1(-1,0),F2(1,0)是椭圆C的两个焦点,过F2且垂直于x轴的直线与椭圆C交于A,B两点,且|AB|=3,则椭圆C的方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
答案 C
解析 设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),则c=1.因为过F2且垂直于x轴的直线与椭圆交于A,B两点,且|AB|=3,所以=,又b2=a2-c2,所以a2=4,b2=3,椭圆C的方程为+=1.
3.过椭圆x2+2y2=4的左焦点F作倾斜角为的弦AB,则弦AB的长为( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 椭圆方程可化为+=1,∴F(-,0).又直线AB的斜率为,∴直线AB的方程为y=x+.由得7x2+12x+8=0,显然Δ>0.设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=-,x1x2=,∴|AB|==.
4.中心为(0,0),一个焦点为F(0,5)的椭圆,截直线y=3x-2所得弦中点的横坐标为,则该椭圆的方程是( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
答案 C
解析 解法一:c=5,设椭圆方程为+=1,联立方程消去y,整理得(10a2-450)x2-12(a2-50)x+4(a2-50)-a2(a2-50)=0,由根与系数的关系得x1+x2==1,解得a2=75,所以椭圆的方程为+=1.
解法二:设椭圆方程为+=1(a>b>0),则a2-b2=50.①
设A(x1,y1),B(x2,y2),弦AB的中点(x0,y0).
∵x0=,∴y0=3×-2=-.
由⇒=-
⇒kAB==-·=3⇒a2=3b2.②
由①②解得a2=75,b2=25,
∴椭圆的方程为+=1.
5.(多选)已知椭圆C:+=1,若直线l经过M(0,1)与椭圆交于A,B两点,且=-,则直线l的方程可以为( )
A.y=-x+1 B.y=x+1
C.y=-x+1 D.y=x+1
答案 CD
解析 依题意,直线l的斜率存在,故设直线l:y=kx+1,点A(x1,y1),B(x2,y2),则由消去y,整理得(9k2+5)x2+18kx-36=0,Δ=(18k)2+4×36×(9k2+5)>0,由此解得k=±,即直线l的方程为y=±x+1.故选CD.
二、填空题
6.已知点P是椭圆x2+8y2=8上的任一点,则点P到直线x-y+4=0的最小距离为____.
答案
解析 设与直线x-y+4=0平行且与椭圆相切的直线方程为x-y+m=0.由得9y2-2my+m2-8=0,则Δ=4m2-36(m2-8)=0,解得m=3或-3,所以所求最小距离为d==.
7.椭圆Г:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,焦距为2c.若直线y=(x+c)与椭圆Г的一个交点M满足∠MF1F2=2∠MF2F1,则该椭圆的离心率等于____.
答案 -1
解析 因为tan∠MF1F2=,∠MF1F2=2∠MF2F1,所以∠MF1F2=60°,∠MF2F1=30°,所以F1M⊥F2M,且|MF1|=c,|MF2|=c,所以c+c=2a,所以e==-1.
8.在平面直角坐标系xOy中,点P到两点(0,-),(0,)的距离之和等于4,设点P的轨迹为C,直线y=kx+1与C交于A,B两点,则k=____时,⊥,此时|AB|的值为____.
答案 ±
解析 设P(x,y),由椭圆定义可知,点P的轨迹C是以(0,-),(0,)为焦点,长半轴长为2,短半轴长b==1的椭圆,故曲线C的方程为x2+=1.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
其坐标满足
消去y,并整理得(k2+4)x2+2kx-3=0,Δ=(2k)2+12(k2+4)>0恒成立,故x1+x2=-,x1x2=-.
∵⊥,∴x1x2+y1y2=0.
∵y1y2=k2x1x2+k(x1+x2)+1,
于是x1x2+y1y2=---+1
==0,
∴k=±.
当k=±时,x1+x2=∓,x1x2=-.
|AB|=,
而(x2-x1)2=(x2+x1)2-4x1x2=+4×=,
∴|AB|==.
三、解答题
9.设F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,M是椭圆C上一点且MF2与x轴垂直.直线MF1与椭圆C的另一个交点为N.
(1)若直线MN的斜率为,求椭圆C的离心率;
(2)若直线MN在y轴上的截距为2,且|MN|=5|F1N|,求a,b的值.
解 (1)根据c=及题意可得M,
所以kMN==,即2b2=3ac.
将b2=a2-c2代入2b2=3ac,
解得=或=-2(舍去).
故椭圆C的离心率为.
(2)由题意得M.
因为原点O为F1F2的中点,MF2∥y轴,
所以直线MF1与y轴的交点D(0,2)是线段MF1的中点,
故=4,即b2=4a.①
由|MN|=5|F1N|得|DF1|=2|F1N|.
设N(x1,y1),由题意知y1<0,则
即
代入椭圆C的方程,得+=1. ②
将①及c2=a2-b2代入②得+=1.
解得a=7,所以b2=4a=28,故a=7,b=2.
10.在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C:+=1(a>b>0)过点P(2,1),且离心率e=.
(1)求椭圆C的方程;
(2)直线l的斜率为,直线l与椭圆C交于A,B两点,求△PAB面积的最大值.
解 (1)∵e2===,∴a2=4b2.
又椭圆C:+=1(a>b>0)过点P(2,1),
∴+=1,∴a2=8,b2=2.
故所求椭圆C的方程为+=1.
(2)设直线l的方程为y=x+m,A(x1,y1),B(x2,y2),
联立得x2+2mx+2m2-4=0.
∵Δ=4m2-8m2+16>0,解得|m|<2.
∴x1+x2=-2m,x1x2=2m2-4.
则|AB|=×=.
点P到直线l的距离d==.
∴S△PAB=d·|AB|
=××
=≤=2.
当且仅当m2=2,即m=±时,△PAB的面积取得最大值2.
1.已知椭圆E:+=1(a>b>0)过点,且离心率为.
(1)求椭圆E的标准方程;
(2)设过点N(-1,0)的直线与椭圆交于A,B两点,点A关于x轴的对称点为C(点C与点B不重合),证明直线BC恒过定点,并求该定点的坐标.
解 (1)由题意知
解得
所以椭圆E的标准方程是+y2=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),则C(x1,-y1).由已知得直线的斜率存在,设斜率为k(k≠0),则直线的方程为y=k(x+1).
由得(1+2k2)x2+4k2x+2k2-2=0,
因为Δ>0,所以x1+x2=-,x1x2=.
直线BC的方程为y-y2=(x-x2),
所以y=x-.
令y=0,
则x==
==-2,
所以直线BC与x轴交于定点(-2,0).
2.已知椭圆C:+=1(a>b>0)过点M(2,0),离心率e=,右焦点为F.
(1)求椭圆C的方程;
(2)过点F的直线l与椭圆C交于A,B两点,与y轴交于点P,若=m,=n,求证:m+n为定值.
解 (1)∵椭圆C:+=1(a>b>0)过点M(2,0),∴a=2.
又e=,∴c=1,则b==.
∴椭圆C的方程为+=1.
(2)证法一:由题意知F(1,0),直线AB的斜率存在,设其方程为y=k(x-1),则P(0,-k).
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1≠1,x2≠1.
由=m,得(x1,y1+k)=m(1-x1,-y1),∴m=.
由=n,得(x2,y2+k)=n(1-x2,-y2),∴n=.
联立得(4k2+3)x2-8k2x+4k2-12=0.
∵Δ>0,
∴x1+x2=,x1x2=.
故m+n=+=
==-=-.
证法二:由题意知F(1,0),m≠-1,n≠-1.
设A(x1,y1),B(x2,y2),P(0,y0),
由=m,
得(x1,y1-y0)=m(1-x1,-y1),
∴x1=,y1=,故A.
∵点A在椭圆C:+=1上,
∴+=1.
整理得9m2+24m+12-4y=0.
同理,由=n,得9n2+24n+12-4y=0.
由此可得m,n是关于x的一元二次方程9x2+24x+12-4y=0的两个实数根.
∴m+n=-=-,为定值.
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