内容正文:
2.5.2
第二章
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圆与圆的位置关系
1.了解圆与圆的位置关系.
2.掌握圆与圆的位置关系的判断方法(重点).
3.能用圆与圆的位置关系解决一些简单问题(难点).
学习目标
日食是一种天文现象,在民间称此现象为天
狗食日.日食只在月球与太阳呈现合的状态时
发生.日食分为日偏食、日全食、日环食、全
环食.我们将月亮与太阳抽象为圆,观察到的
这些圆在变化的过程中位置关系是怎样的?
前面我们运用直线的方程、圆的方程研究了直线与圆的位置关系,现在我们类比上述研究方法,运用圆的方程,通过定量计算研究圆与圆的位置关系.
导 语
一、两圆位置关系的判断
二、相交弦问题
课时对点练
三、圆与圆的综合性问题
随堂演练
内容索引
两圆位置关系的判断
一
1.代数法:设两圆的一般方程为
知识梳理
方程组解的个数 2组 1组 0组
两圆的公共点个数 个 个 个
两圆的位置关系 相交 外切或内切 外离或内含
则方程组解的个数与两圆的位置关系如下:
2
1
0
知识梳理
位置关系 图示 d与r1,r2的关系
外离 d r1+r2
外切 d r1+r2
2.几何法:若两圆的半径分别为r1,r2,两圆的圆心距为d,则两圆的位置关系如下:
>
=
知识梳理
位置关系 图示 d与r1,r2的关系
相交 |r1-r2|< d<r1+r2
内切 d |r1-r2|
内含 d |r1-r2|
=
<
知识梳理
判断两圆的位置关系时,应优先使用几何法,因为利用代数法判断两圆位置关系时,若方程组无解或有一组解时,无法准确判断两圆的位置关系.
注 意 点
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10
已知圆C1:x2+y2-2ax-2y+a2-15=0(a>0),圆C2:x2+y2-4ax-2y+4a2=0(a>0).试求a为何值时,两圆C1,C2的位置关系为:
(1)相切;
例 1
11
圆C1,C2的方程,经配方后可得
C1:(x-a)2+(y-1)2=16,
C2:(x-2a)2+(y-1)2=1,
∴圆心C1(a,1),C2(2a,1),半径r1=4,r2=1.
当|C1C2|=r1+r2=5,即a=5时,两圆外切;
当|C1C2|=r1-r2=3,即a=3时,两圆内切.
12
(2)相交;
当3<|C1C2|<5,即3<a<5时,两圆相交.
(3)外离;
当|C1C2|>5,即a>5时,两圆外离.
13
(4)内含.
当|C1C2|<3,即0<a<3时,两圆内含.
14
(1)几何法:将两圆的圆心距d与两圆的半径之差的绝对值、半径之和进行比较,进而判断出两圆的位置关系,这是解析几何中主要使用的方法.
(2)代数法:将两圆的方程组成方程组,通过解方程组,根据方程组解的个数进而判断两圆的位置关系.
判断两圆的位置关系的两种方法
反
思
感
悟
15
(1)圆C1:x2+y2-4x+3=0与圆C2:(x+1)2+(y-4)2=a恰有三条公切线,则实数a的值是
A.4 B.6 C.16 D.36
跟踪训练 1
圆C1的标准方程为(x-2)2+y2=1,
∵两圆有三条公切线,
∴两圆外切,
√
16
(2)到点A(-1,2),B(3,-1)的距离分别为3和1的直线有_____条.
4
到点A(-1,2)的距离为3的直线是以A为圆心,3为半径的圆的切线;同理,到点B(3,-1)的距离为1的直线是以B为圆心,半径为1的圆的切线,所以满足题设条件的直线是这两圆的公切线,而这两圆的圆心距|AB|= =5.
半径之和为3+1=4,因为5>4,
所以圆A和圆B外离,因此它们的公切线有4条.
17
二
相交弦问题
已知圆C1:x2+y2+6x-4=0和圆C2:x2+y2+6y-28=0.
(1)求两圆公共弦所在直线的方程及弦长;
例 2
19
设两圆交点为A(x1,y1),B(x2,y2),
联立圆C1与圆C2的方程,得
由①-②,得x-y+4=0.
∵A,B两点的坐标都满足此方程,
∴x-y+4=0即为两圆公共弦所在直线的方程.
20
21
(2)求经过两圆交点且圆心在直线x-y-4=0上的圆的方程.
得两圆的交点A(-1,3),B(-6,-2).
设所求圆的圆心为(a,b),因为圆心在直线x-y-4=0上,故b=a-4.
即x2+y2-x+7y-32=0.
22
(1)若圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0与圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0相交,则两圆公共弦所在的直线方程为(D1-D2)x+(E1-E2)y+F1-F2=0.
(2)公共弦长的求法
①代数法:将两圆的方程联立,解出交点坐标,利用两点间的距离公式求出弦长.
②几何法:求出公共弦所在直线的方程,利用圆的半径、半弦长、弦心距构成的直角三角形,根据勾股定理求解.
反
思
感
悟
23
圆心在直线x-y-4=0上,且经过圆x2+y2-4x-6=0与圆x2+y2-4y-6=0的交点的圆的方程为_______________________________
____________.
(x-3)2+(y+1)2=16(或x2+y2-6x
跟踪训练 2
+2y-6=0)
24
所以圆x2+y2-4x-6=0与圆x2+y2-4y-6=0的交点分别为A(-1,-1),B(3,3),连接AB(图略),则线段AB的垂直平分线的方程为y-1=-(x-1).
所以所求圆的方程为(x-3)2+(y+1)2=16.
25
方法二 同方法一求得A(-1,-1),B(3,3),
设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2,
所以所求圆的方程为(x-3)2+(y+1)2=16.
26
圆与圆的综合性问题
三
例 3
28
设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),
由题知所求圆与圆x2+y2-2x=0外切,
29
因为圆心在x轴上,
所以可设圆心坐标为(a,0),设半径为r,
则所求圆的方程为(x-a)2+y2=r2,
又因为与圆x2+y2-2x=0外切,
延伸探究
所以圆的方程为(x-4)2+y2=4.
30
通过直线与圆,圆与圆的位置关系,建立数学模型,利用方程思想,解决求圆的方程问题.
反
思
感
悟
31
1.知识清单:
(1)两圆的位置关系.
(2)两圆的公共弦.
(3)圆系方程.
(4)圆与圆的综合性问题.
2.方法归纳:几何法、代数法.
3.常见误区:将两圆内切和外切相混.
课堂小结
随堂演练
四
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2
3
4
1.圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2-4y=0的位置关系是
A.外离 B.相交 C.外切 D.内切
√
1
2
3
4
2.(多选)圆C1:(x+2)2+(y-m)2=9与圆C2:(x-m)2+(y+1)2=4外切,则m的值为
A.2 B.-5 C.-2 D.5
√
圆C1:(x+2)2+(y-m)2=9的圆心为(-2,m),半径为3,
圆C2:(x-m)2+(y+1)2=4的圆心为(m,-1),半径为2.
√
即m2+3m-10=0,
解得m=2或m=-5.
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3
4
3.已知以C(4,-3)为圆心的圆与圆O:x2+y2=1相切,则圆C的方程是________________________________________.
设圆C的半径为r,
(x-4)2+(y+3)2=16或(x-4)2+(y+3)2=36
当圆C与圆O外切时,r+1=5,解得r=4;
当圆C与圆O内切时,r-1=5,解得r=6,
则圆C的方程为(x-4)2+(y+3)2=16
或(x-4)2+(y+3)2=36.
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4
4.若圆x2+y2=4与圆x2+y2+2ay-6=0(a>0)的公共弦长为 ,则a=______.
将两圆的方程相减,
1
所以a=1.
课时对点练
五
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基础巩固
1.圆C1:x2+y2+4x+8y-5=0与圆C2:x2+y2+4x+4y-1=0的位置关系为
A.相交 B.外切 C.内切 D.外离
由已知,得C1(-2,-4),r1=5,C2(-2,-2),r2=3,则圆心距d=|C1C2|=2,所以d=|r1-r2|,所以两圆内切.
√
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2.圆x2+y2-2x-5=0与圆x2+y2+2x-4y-4=0的交点为A,B,则线段AB的垂直平分线的方程是
A.x+y-1=0 B.2x-y+1=0
C.x-2y+1=0 D.x-y+1=0
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3.(多选)下列圆中与圆C:x2+y2+2x-4y+1=0相切的是
A.(x+2)2+(y+2)2=9
B.(x-2)2+(y+2)2=9
C.(x-2)2+(y-2)2=25
D.(x-2)2+(y+2)2=49
√
√
√
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由圆C:x2+y2+2x-4y+1=0,可知圆心C的坐标为(-1,2),半径r=2.
A项,圆心C1(-2,-2),半径r1=3.
∴两圆相交;
B项,圆心C2(2,-2),半径r2=3,
∵|C2C|=5=r+r2,
∴两圆外切,满足条件;
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C项,圆心C3(2,2),半径r3=5,
∵|C3C|=3=r3-r,∴两圆内切;
D项,圆心C4(2,-2),半径r4=7,
∵|C4C|=5=r4-r,∴两圆内切.
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4.设圆C1 ,C2 都和两坐标轴相切,且都过点(4,1),则两圆的圆心距|C1C2|等于
A.32 B.16 C.8 D.1
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∵两圆与两坐标轴都相切,且都过点(4,1),
∴两圆的圆心均在第一象限且每个圆心的横、纵坐标相等.设两圆的圆心坐标分别为(a,a),(b,b),
则有(4-a)2+(1-a)2=a2,(4-b)2+(1-b)2=b2,
∴a,b为方程(4-x)2+(1-x)2=x2 的两个实数根,
即a,b为方程x2-10x+17=0 的两个实数根,
∴a+b=10,ab=17 .
∴(a-b)2=(a+b)2-4ab=100-4×17=32,
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5.已知点A(1,0),B(1,6),圆C:x2+y2-10x-12y+m=0,若在圆C上存在唯一的点P使∠APB=90°,则m等于
A.-3或3 B.57
C.-3或57 D.3或57
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由题意得,只需以AB为直径的圆与圆C有且仅有一个公共点,即两圆相切.
因为A(1,0),B(1,6),
所以以AB为直径的圆M的方程为(x-1)2+(y-3)2=9,
圆C:(x-5)2+(y-6)2=61-m.
因为两圆相切,
解得m=57或m=-3.
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6.若直线l与圆C1:(x+1)2+y2=1,圆C2:(x-1)2+y2=4都相切,切点分别为A,B,则|AB|等于
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如图所示,设直线l交x轴于点M,
由于直线l与圆C1:(x+1)2+y2=1,圆C2:(x-1)2+y2=4都相切,切点分别为A,B,
则AC1⊥l,BC2⊥l,∴AC1∥BC2,
∵|BC2|=2=2|AC1|,
∴C1为MC2的中点,A为BM的中点,
∴|MC1|=|C1C2|=2,
圆C1:x2+y2+4ax+4a2-4=0,化为标准方程为(x+2a)2+y2=4,
圆心坐标为(-2a,0),半径长为2.
圆C2:x2+y2-2by+b2-1=0,化为标准方程为x2+(y-b)2=1.
圆心坐标为(0,b),半径长为1.
由于两圆只有一条公切线,所以两圆相内切,所以 =2-1=1,
整理得4a2+b2=1.
7.已知圆C1:x2+y2+4ax+4a2-4=0和圆C2:x2+y2-2by+b2-1=0只有一条公切线,则实数a,b的关系是_____________.
4a2+b2=1
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8.经过直线x+y+1=0与圆x2+y2=2的交点,且过点(1,2)的圆的方程为______________________.
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9.已知两圆C1:x2+y2-2x+10y-24=0和C2:x2+y2+2x+2y-8=0.
(1)试判断两圆的位置关系;
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(2)求公共弦所在的直线方程;
将两圆方程相减,得公共弦所在的直线方程为x-2y+4=0.
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(3)求公共弦的长度.
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方法一 两方程联立,得方程组
两式相减得x=2y-4,③
把③代入②得y2-2y=0,解得y1=0,y2=2,
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方法二 由(2)知x-2y+4=0为两圆公共弦所在直线的方程.
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10.已知圆C:x2+y2-6x-8y+21=0.
(1)若直线l1过定点A(1,1),且与圆C相切,求l1的方程;
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圆C:x2+y2-6x-8y+21=0化为标准方程为(x-3)2+(y-4)2=4,
所以圆C的圆心为(3,4),半径为2.
①若直线l1的斜率不存在,即直线为x=1,符合题意.
②若直线l1的斜率存在,设直线l1的方程为y-1=k(x-1).
即kx-y-k+1=0.由题意知,圆心(3,4)到已知直线l1的距离等于半径2,
综上,所求l1的方程为x=1和5x-12y+7=0.
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(2)若圆D的半径为3,圆心在直线l2:x-y+2=0上,且与圆C外切,求圆D的方程.
依题意,设D(a,a+2).
又已知圆C的圆心为(3,4),半径为2,
由两圆外切,可知|CD|=5,
解得a=-1或a=6.
所以D(-1,1)或D(6,8),
所以所求圆D的方程为(x+1)2+(y-1)2=9或(x-6)2+(y-8)2=9.
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综合运用
11.已知m是正实数,则“m≥16”是“圆C1:x2+y2=1与圆C2:(x-4)2+(y+3)2=m有公共点”的
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
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12.(多选)圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2+2x-4y=0的交点为A,B,则有
A.公共弦AB所在直线的方程为x-y=0
B.线段AB中垂线的方程为x+y-1=0
√
√
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对于A,由圆O1:x2+y2-2x=0与圆O2:x2+y2+2x-4y=0的交点为A,B,
两式作差可得4x-4y=0,即公共弦AB所在直线的方程为x-y=0,故A正确;
对于B,圆O1:x2+y2-2x=0的圆心为(1,0),又kAB=1,则线段AB中垂线的斜率为-1,即线段AB中垂线的方程为y-0=-1×(x-1),整理可得x+y-1=0,故B正确;
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13.(多选)已知圆O:x2+y2=4和圆M:x2+y2+4x-2y+4=0相交于A,B两点,则下列说法正确的是
A.两圆有两条公切线
B.直线AB的方程为y=2x+2
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因为两圆相交,所以两圆有两条公切线,故A正确;
又圆O:x2+y2=4, ①
圆M:x2+y2+4x-2y+4=0, ②
所以由②-①得4x-2y+4=-4,即y=2x+4,所以直线AB的方程为y=2x+4,故B错误;
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14.在平面直角坐标系Oxy中,圆C:x2-2ax+y2-2ay+2a2-1=0上存在点
P到点(0,1)的距离为2,则实数a的取值范围是_________________________.
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因为圆C:x2-2ax+y2-2ay+2a2-1=0,
所以(x-a)2+(y-a)2=1,其圆心C(a,a),半径r=1.
因为点P到点(0,1)的距离为2,所以P点的轨迹为x2+(y-1)2=4.
因为P又在(x-a)2+(y-a)2=1上,所以圆C与圆x2+(y-1)2=4有交点,
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拓广探究
15.为测量一工件的内圆弧AB对应的半径R,工人将三个半径均为10 mm的圆柱形量棒O1,O2,O3放在与工件圆弧相切的位置上,通过深度卡尺测出卡尺下沿水平面到中间量棒O2顶侧面的垂直深度h=6 mm(如图所
示),则R=______ mm.
如图,设两圆O1,O2外切于点M,连接OM,
作O1N⊥OO2交OO2于点N,
点D为线段OO2与圆O2的交点,
则|DE|=h=6,所以|NE|=10,|O2M|=10,
|O2N|=10-|DN|=h=6,
因为∠O1NO2=∠OMO2=90°,∠O1O2N=∠OO2M,
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(1)求圆C2的方程;
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设圆C2的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),
所以圆C2的圆心在直线C1N上,
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(2)设斜率为2的直线m分别交x轴负半轴和y轴正半轴于A,B两点,交圆C2在第二象限的部分于E,F两点.若△AOE与△BOF的面积相等,求直线m的方程.
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如图,设直线m的方程为y=2x+t(t>0),
因为直线m交圆C2在第二象限的部分于E,F两点,
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因为△AOE与△BOF的面积相等,
则AE=BF,所以EF,AB的中点重合.
解得t=4满足①式,
所以直线m的方程为y=2x+4,即2x-y+4=0.
C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0(D+E-4F1>0),
C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0(D+E-4F2>0),
联立方程得
∴|C1C2|==a.
∴=1+,解得a=16.
即两圆的公共弦长为5.
又圆C1的圆心(-3,0),r=,
∴C1到直线AB的距离d==,
∴|AB|=2=2=5,
解方程组
则=,半径为.
故所求圆的方程为2+2=,
所以所求圆的圆心坐标为(3,-1),半径为=4,
方法一 由
解得
由解得
由解得
求与圆x2+y2-2x=0外切且与直线x+y=0相切于点M(3,-)的圆的方程.
=r. ③
由①②③解得a=4,b=0,r=2或a=0,b=-4,r=6.
故所求圆的方程为(x-4)2+y2=4或x2+(y+4)2=36.
则=r+1. ①
又所求圆过点M的切线为直线x+y=0,
故=. ②
将本例变为“求与圆x2+y2-2x=0外切,圆心在x轴上,且过点(3,-)的圆的方程”,如何求?
且过点(3,-),
所以解得
把圆O1和圆O2的方程化为标准方程,得圆O1:(x-1)2+y2=1,圆O2:
x2+(y-2)2=4,则O1(1,0),O2(0,2),r1=1,r2=2,|O1O2|==<r1+r2,又r2-r1<,所以两圆相交.
依题意有=3+2,
圆心距d==5,
圆心(0,0)到直线的距离d===1,
2
得相交弦所在的直线方程为y=,
圆x2+y2-2x-5=0的圆心为M(1,0),圆x2+y2+2x-4y-4=0的圆心为N(-1,2),两圆的相交弦AB的垂直平分线即为直线MN,其方程为=,即x+y-1=0.
∵|C1C|=∈(r1-r,r1+r),
∴|C1C2|===8.
所以|CM|=|3±|,即5=|3±|,
A.1 B. C. D.2
由勾股定理可得|AB|=|MA|==.
x2+y2-x-y-=0
由已知可设所求圆的方程为x2+y2-2+λ(x+y+1)=0,将(1,2)代入,可得λ=-,故所求圆的方程为x2+y2-x-y-=0.
将两圆方程分别化为标准方程为C1:(x-1)2+(y+5)2=50,C2:(x+1)2+(y+1)2=10,则圆C1的圆心为(1,-5),半径r1=5;圆C2的圆心为(-1,-1),半径r2=.又|C1C2|=2,r1+r2=5+,r1-r2=5-,所以r1-r2<|C1C2|<r1+r2,所以两圆相交.
所以或所以两圆交点坐标为(-4,0)和(0,2),
所以两圆的公共弦长为=2.
由(1)知圆C1的圆心为(1,-5),半径r1=5,圆心C1到直线x-2y+4=0的距离d==3,
所以两圆的公共弦长为2=2=2.
所以=2,即=2,
解得k=,所以直线方程为5x-12y+7=0.
所以=5,
圆x2+y2=1的圆心C1(0,0),半径r1=1,圆(x-4)2+(y+3)2=m的圆心C2(4,-3),半径r2=(m>0),
则|C1C2|==5,两圆有公共点⇔|-1|≤5≤+1,
解得16≤m≤36,显然[16,36][16,+∞).
故“m≥16”是“圆C1:x2+y2=1与圆C2:(x-4)2+(y+3)2=m有公共点”的必要不充分条件.
C.公共弦AB的长为
D.P为圆O1上一动点,则P到直线AB距离的最大值为+1
对于C,圆O1:x2+y2-2x=0的圆心O1(1,0)到直线x-y=0的距离d
==,半径r=1,所以|AB|=2=,故C不正确;
对于D,P为圆O1上一动点,圆心O1(1,0)到直线x-y=0的距离为d
=,半径r=1,即P到直线AB距离的最大值为+1,故D正确.
C.线段AB的长为
D.若圆O上有一动点E,圆M上有一动点F,则|EF|的最大值为+3
圆M的圆心为M(-2,1),半径为1,所以|EF|max=|OM|+2+1=+3,故D正确.
又圆O的圆心为O(0,0),半径为2,则圆心O到直线AB的距离d==,所以|AB|=2×=,故C错误;
∪
即2-1≤≤2+1,
解得≤a≤0或1≤a≤.
所以实数a的取值范围是∪.
所以=,解得R=.
所以△O1NO2∽△OMO2,所以=,
16.在平面直角坐标系Oxy中,已知圆C1的方程为2+y2=10,圆C2过点M,且与圆C1外切于点N.
因为圆C1的方程为2+y2=10,
所以圆C1的圆心坐标为C1,
因为圆C2与圆C1外切于点N,
因为直线C1N的方程为y=-,
所以b=-,
所以圆C2的方程为x2+2=.
因为圆C2过点M,
且与圆C1外切于点N,
所以解得
则A,B(0,t),
因为圆C2的方程为x2+2=,
所以圆C2与y轴正半轴的交点的坐标为,
所以圆心C2到直线m的距离满足<且t>,
所以<t<, ①
所以EF的中点D,
因为C2D⊥EF,C2,所以 ·kEF=-1,即×2=-1,
$