2.3.3 直线与圆的位置关系(Word教参)-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中数学选择性必修第一册(人教B版)
2026-09-14
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教辅
摘要:
本高中数学讲义聚焦直线与圆的位置关系这一核心知识点,系统梳理从初中几何直观(交点个数)到高中代数方法(距离与半径比较、判别式)的判断思路,构建包含位置关系定义、判断方法及切线、弦长应用的学习支架。
资料以“大漠孤烟直,长河落日圆”诗句及图片引入,培养直观想象,通过一题多解、母题探究强化数学运算与逻辑推理,课中辅助教师教学,课后助力学生巩固知识、查漏补缺,体现用代数方法解决几何问题的学科特色。
内容正文:
2.3.3 直线与圆的位置关系
课标
要求
1.能根据给定直线、圆的方程,判断直线与圆的位置关系(直观想象).
2.能用直线和圆的方程解决一些简单的数学问题与实际问题.体会用代数方法处理几何问题的思想(数学运算).
“大漠孤烟直,长河落日圆”是唐朝诗人王维的诗句,它描述了黄昏日落时分塞外特有的景象.如果我们把太阳看成一个圆,地平线看成一条直线,观察下面三幅太阳落山的图片.
【问题】 (1)图片中,地平线与太阳的位置关系怎样?
(2)结合初中平面几何中学过的直线与圆的位置关系,说出直线与圆有几种位置关系?
(3)如何判断直线与圆的位置关系?
知识点 直线与圆有三种位置关系
1.直线与圆的三种位置关系
位置关系
交点个数
图示
相交
有 两个 公共点
相切
只有 一个 公共点
相离
没有 公共点
2.直线Ax+By+C=0(A,B不同时为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
判断方法
几何法:设圆心到直线的距离d=
d<r
d = r
d > r
代数法:由消元得到一元二次方程的判别式Δ
Δ>0
Δ=0
Δ<0
【想一想】
1.若直线与圆只有一个公共点,则直线与圆一定相切吗?
提示:一定.
2.若直线与圆有公共点,则圆心到直线的距离满足什么条件?
提示:当直线与圆有公共点时,圆心到直线的距离小于或等于半径.
1.判断正误.(正确的画“√”,错误的画“×”)
(1)若直线与圆有公共点,则直线与圆相交.( × )
(2)如果直线与圆组成的方程组有解,则直线和圆相交或相切.( √ )
(3)若圆心到直线的距离大于半径,则直线与圆的方程联立消元后得到的一元二次方程无解.( √ )
(4)过圆外一点的直线与圆相离.( × )
2.直线3x-4y+8=0与圆(x-1)2+(y+1)2=16的位置关系是( )
A.相离 B.相交
C.相切 D.不确定
解析:B 圆(x-1)2+(y+1)2=16的圆心坐标为(1,-1),半径为4,圆心到直线的距离d===3<4,所以相交.故选B.
3.直线x+y+m=0与圆x2+y2=m相切,则m的值为( )
A.0或2 B.
C.2 D.无解
解析:C 由于直线与圆相切,故=,解得m=0(舍去)或m=2.
4.圆(x-1)2+(y+4)2=25在x轴截得的弦长是( )
A.8 B.6
C.5 D.6
解析:B 令y=0,得(x-1)2=9,所以x-1=±3,所以x1=-2,x2=4,故所求弦长为|x1-x2|=6.故选B.
题型一 直线与圆位置关系的判断
〔一题多解〕已知直线mx-y-m-1=0,圆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.
解: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.
则Δ=4m(3m+4).
(1)当Δ>0,即m>0或m<-时,直线与圆相交,即直线与圆有两个公共点.
(2)当Δ=0,即m=0或m=-时,直线与圆相切,即直线与圆只有一个公共点.
(3)当Δ<0,即-<m<0时,直线与圆相离,即直线与圆没有公共点.
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的距离为
d== .
(1)当d<2,即m>0或m<-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=-时,直线与圆相切,即直线与圆只有一个公共点.
(3)当d>2,即-<m<0时,直线与圆相离,即直线与圆没有公共点.
规律方法
判断直线与圆位置关系的方法
(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.
1.直线x-ky+1=0与圆x2+y2=1的位置关系是( )
A.相交 B.相离
C.相交或相切 D.相切
解析:C 直线x-ky+1=0恒过定点(-1,0),而(-1,0)在圆上,故直线与圆相切或相交.
2.直线ax+by=r2与圆x2+y2=r2相离,则点P(a,b)与圆x2+y2=r2的位置关系是点在圆 内 .(填“外”“上”或“内”)
解析:圆x2+y2=r2的圆心为(0,0),半径为r,由于直线ax+by=r2与圆x2+y2=r2相离,所以>r,r>,所以a2+b2<r2,所以P(a,b)与圆x2+y2=r2的位置关系是点在圆内.
题型二 直线与圆相切的有关问题
过点M(2,4)向圆(x-1)2+(y+3)2=1引切线,求其切线方程.
解:由于(2-1)2+(4+3)2=50>1,故点M在圆外.
当切线斜率存在时,设切线方程是y-4=k(x-2),即kx-y+4-2k=0,
由于直线与圆相切,圆心为(1,-3),r=1,故=1,解得k=.
所以切线方程为24x-7y-20=0.
又当切线斜率不存在时,直线x=2与圆相切.
综上所述,所求切线方程为24x-7y-20=0或x=2.
【母题探究】
1.(变条件)若将本例中的点M的坐标改为(1,-2),其他条件不变,又如何求其切线方程?
解:由于(1-1)2+(-2+3)2=1,
故点M在圆上,
设圆的圆心为C,则C(1,-3),显然CM的斜率不存在.
因为圆的切线垂直于经过切点的半径,
所以所求切线的斜率k=0,所以切线方程为y=-2.
2.(变设问)若本例中的条件不变,如何求其切线长?
解:由题知,设切线长为d,d===7.
规律方法
1.过圆上一点(x0,y0)的圆的切线方程的求法
(1)先求切点与圆心连线的斜率k,再由垂直关系得切线的斜率为-,由点斜式可得切线方程.如果斜率为零或不存在,则由图形可直接得切线方程y=y0或x=x0;
(2)过点M(x0,y0)的圆x2+y2=r2的切线方程为x0x+y0y=r2.
2.过圆外一点(x0,y0)的切线方程的求法
设切线方程为y-y0=k(x-x0),由圆心到直线的距离等于半径建立方程,可求得k,也就得切线方程.当用此法只求出一个方程时,另一个方程应为x=x0,因为在上面解法中不包括斜率不存在的情况,而过圆外一点的切线有两条.一般不用联立方程组的方法求解.
3.求切线长(最值)的两种方法
(1)代数法:直接利用勾股定理求出切线长,把切线长中的变量统一成一个,转化成函数求最值;
(2)几何法:把切线长最值问题转化成圆心到直线的距离问题.
1.若过点(2,1)的圆与两坐标轴都相切,则圆心到直线2x-y-3=0的距离为( )
A. B.
C. D.
解析:B 因为圆与两坐标轴都相切,点(2,1)在该圆上,所以可设该圆的方程为(x-a)2+(y-a)2=a2(a>0),所以(2-a)2+(1-a)2=a2,即a2-6a+5=0,解得a=1或a=5,所以圆心的坐标为(1,1)或(5,5),所以圆心到直线2x-y-3=0的距离为=或=,故选B.
2.〔一题多解〕经过点M(2,),且与圆x2+y2=10相切的直线的方程为 2x+y-10=0 .
解析:法一 因为22+()2=10,所以点M在圆x2+y2=10上,由题意可知圆心为C(0,0),则直线CM的斜率kCM=.因为圆的切线垂直于经过切点的直径所在的直线,所以所求切线的斜率k=-.故经过点M的切线方程为y-=-(x-2),整理得2x+y-10=0.
法二 显然点M(2,)在圆x2+y2=10上,又因为过圆x2+y2=r2上一点(x0,y0)的切线方程为x0x+y0y=r2,故所求切线方程为2x+y=10,即2x+y-10=0.
3.〔一题多解〕若圆C:x2+y2+2x-4y+3=0关于直线2ax+by+6=0对称,则由点(a,b)向圆所作的切线长的最小值是 4 .
解析:法一 由x2+y2+2x-4y+3=0,得(x+1)2+(y-2)2=2,依题意得圆心C(-1,2)在直线2ax+by+6=0上,所以2a×(-1)+b×2+6=0,即a=b+3 ①,易知由点(a,b)向圆所作的切线长l= ②,将①代入②,得l==.又b∈R,所以当b=-1时,lmin=4.
法二 因为过圆外一点的圆的切线长l、半径r和该点到圆心的距离d满足勾股定理,即l2=d2-r2,所以切线长最短时该点到圆心的距离最小,则原问题转化成求该点与圆心的距离的最小值问题.由题意知圆心C(-1,2),半径r=,圆心在直线2ax+by+6=0上,则2a×(-1)+b×2+6=0,即b=a-3,所以点(a,b)在直线y=x-3上,所以点(a,b)与圆心的距离的最小值即圆心到直线y=x-3的距离d',易求得d'==3,所以切线长的最小值为=4.
题型三 直线截圆所得弦长问题
〔一题多解〕直线l经过点P(5,5)并且与圆C:x2+y2=25相交截得的弦长为4,求l的方程.
解:据题意知直线l的斜率存在,设直线l的方程为y-5=k(x-5),与圆C相交于A(x1,y1),B(x2,y2),
法一 联立方程组
消去y,得(k2+1)x2+10k(1-k)x+25k(k-2)=0.
由Δ=[10k(1-k)]2-4(k2+1)·25k(k-2)>0,
解得k>0.又x1+x2=-,
x1x2=,
由斜率公式,得y1-y2=k(x1-x2).
∴|AB|=
=
=
==4.
两边平方,整理得2k2-5k+2=0,解得k=或k=2符合题意.
故直线l的方程为x-2y+5=0或2x-y-5=0.
法二 如图所示,|OH|是圆心到直线l的距离,|OA|是圆的半径,|AH|是弦长|AB|的一半.
在Rt△AHO中,|OA|=5,
|AH|=|AB|=×4=2,
则|OH|==.
∴=,
解得k=或k=2.
∴直线l的方程为x-2y+5=0或2x-y-5=0.
规律方法
求弦长的两种方法
涉及直线被圆截得的弦长问题时,解法有两种:
(1)由于半径长r、弦心距d、弦长l的一半构成直角三角形,所以利用勾股定理d2+()2=r2求解,这是常用解法;
(2)联立直线(y=kx+b)与圆的方程,消元转化为关于x的一元二次方程,由根与系数的关系即可求得弦长|AB|=·|x1-x2|=·或|AB|=·|y1-y2|=·.
1.已知圆C的圆心是直线x+y+1=0与直线x-y-1=0的交点,直线3x+4y-11=0与圆C相交于A,B两点,且|AB|=6,则圆C的方程为( )
A.x2+(y+1)2=18
B.x2+(y-1)2=3
C.(x-1)2+y2=18
D.(x-1)2+y2=3
解析:A 直线x+y+1=0与直线x-y-1=0的交点为(0,-1),所以圆心为C(0,-1),设半径为r,由题意得()2+32=r2,解得r2=18,故圆C为x2+(y+1)2=18.
2.已知圆C:x2+y2=4,直线l:y=kx+m,当k变化时,l截得圆C弦长的最小值为2,则m=( )
A.±2 B.±
C.± D.±3
解析:C 由题可得圆心为(0,0),半径为2,则圆心到直线的距离d=,则弦长为2,则当k=0时,弦长取得最小值为2=2,解得m=±.故选C.
与圆有关的探究性问题
如图,圆x2+y2=8内有一点P0(-1,2),AB为过点P0且倾斜角为α的弦.
(1)当α=135°时,求AB的长;
(2)是否存在弦AB被点P0平分?若存在,写出直线AB的方程;若不存在,请说明理由.
【问题探究】
此题目为探究性问题,属探究题存在类型范畴,解决这类问题一般思路:首先假设所探究的问题存在,在这个假设条件下进行推理论证,如果能得到一个合情合理的推理结果,就肯定假设正确.如果得到一个矛盾结论,就应否定假设,对问题作出反面回答.
【迁移应用】
1.对上述问题进行解答.
解:(1)直线AB的斜率为k=tan 135°=-1,
∴直线AB的方程为y-2=-(x+1),即x+y-1=0.
∵圆心O(0,0)到直线AB的距离d==,
∴弦长|AB|=2=2=.
(2)假设存在弦AB被点P0平分,
∴P0为弦AB的中点,又|OA|=|OB|=r,∴OP0⊥AB.
又∵==-2,∴kAB=.
∴直线AB的方程为y-2=(x+1),即x-2y+5=0.
由以上求解可知,存在被P0点平分的弦AB,此弦所在直线方程为x-2y+5=0.
2.在平面直角坐标系xOy中,已知△ABC的顶点坐标分别是A(0,0),B(3,3),C(1,-),记△ABC外接圆为圆M.
(1)求圆M的方程;
(2)在圆M上是否存在点P,使得|PB|2-|PA|2=12?若存在,求点P的个数;若不存在,说明理由.
解:(1)设△ABC外接圆M的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
将A(0,0),B(3,3),C(1,-)代入上述方程得解得
则圆M的方程为x2+y2-6x=0.
(2)设点P的坐标为(x,y),
因为|PB|2-|PA|2=12,所以(x-3)2+(y-3)2-x2-y2=12,化简得x+y-1=0.
因为圆M的圆心M(3,0)到直线x+y-1=0的距离为d==,又圆M的半径r=3,<3,
所以直线x+y-1=0与圆M相交,故满足条件的点P有两个.
1.若直线x-y+1=0与圆(x-a)2+(y-1)2=2没有公共点,则实数a的取值范围是( )
A.(-∞,-)∪(,+∞) B.(,+∞)
C.(-∞,-2)∪(2,+∞) D.(2,+∞)
解析:C 由题得圆心坐标为(a,1),半径为,∴>,∴|a|>2,∴a>2或a<-2.∴实数a的取值范围是(-∞,-2)∪(2,+∞).故选C.
2.以点(2,-1)为圆心,且与直线3x-4y+5=0相切的圆的方程为( )
A.(x-2)2+(y+1)2=3
B.(x+2)2+(y-1)2=3
C.(x+2)2+(y-1)2=9
D.(x-2)2+(y+1)2=9
解析:D 圆心到直线3x-4y+5=0的距离d==3,即圆的半径为3,所以所求圆的方程为(x-2)2+(y+1)2=9.
3.已知圆C:x2+y2-4x-4y=0,则以P(1,1)为中点的弦所在的直线方程为( )
A.x-y=0 B.x+2y-3=0
C.x+y-2=0 D.x-y+2=0
解析:C 由圆的方程可知圆心坐标为C(2,2),则kPC==1,则所求直线的斜率k=-1,直线方程为y-1=-(x-1),即x+y-2=0.故选C.
4.若点P(1,2)在以坐标原点为圆心的圆上,则该圆在点P处的切线方程为 x+2y-5=0 .
解析:设切线斜率为k,则由已知得 k·kOP=-1.∴k=-.∴切线方程为x+2y-5=0.
1.直线l: y-1=k(x-1)和圆x2+y2-2y=0的关系是( )
A.相离 B.相切或相交
C.相交 D.相切
解析:C l过定点A(1,1),∵12+12-2×1=0,∴点A在圆上,∵直线x=1过点A且为圆的切线,又l斜率存在,∴l与圆一定相交,故选C.
2.直线x+2y-5+=0被x2+y2-2x-4y=0截得的弦长为( )
A.1 B.2
C.2 D.4
解析:D 圆的方程可化为(x-1)2+(y-2)2=5,所以圆心(1,2),半径r=,圆心(1,2)到直线x+2y-5+=0的距离d==1,所以截得的弦长为2=2=4.故选D.
3.若直线ax+2by-2=0(a>0,b>0)始终平分圆x2+y2-4x-2y-8=0的周长,则a+b的值为( )
A.4 B.3
C.2 D.1
解析:D 由题意知圆心(2,1)在直线ax+2by-2=0上,∴2a+2b-2=0,整理得a+b=1.
4.已知点P是圆C:x2+y2+2y=0上一点,则点P到直线l:2x-y+4=0的距离最大值为( )
A.2 B.+2
C.+1 D.-1
解析:C 由圆C:x2+y2+2y=0,可得圆心坐标为C(0,-1),半径r=1,则圆心C到直线l的距离为 =,所以点P到直线l的距离的最大值为+1.故选C.
5.已知圆C:x2+y2-4x-4y+4=0,P为直线l:x+y-8=0上一动点,则点P到圆C上的点的最短距离为( )
A. B.-1
C.2 D.2-2
解析:D 由C:x2+y2-4x-4y+4=0可得(x-2)2+(y-2)2=4,可知圆心C(2,2),半径r=2,圆心C到直线x+y-8=0的距离d==2,则点P到圆上的点的最短距离为d-r=2-2.
6.〔多选〕对于直线l:(m-2)x+y-2m+1=0与圆C:x2+y2-6x-4y+4=0,下列说法不正确的是( )
A.l过定点(2,3)
B.C的半径为9
C.l与C可能相切
D.l被C截得的弦长最小值为2
解析:BC (m-2)x+y-2m+1=0可变形为(x-2)m-2x+y+1=0,由得所以直线l过定点(2,3),故A正确;圆C:x2+y2-6x-4y+4=0的标准方程为(x-3)2+(y-2)2=9,半径为3,故B不正确;由(2-3)2+(3-2)2=2<9,所以点(2,3)在圆C的内部,所以l与C相交,不会相切,故C不正确;当l与点(2,3)和圆心(3,2)的连线垂直时,l被C截得的弦长最小.因为点(2,3)和圆心(3,2)连线的斜率为=-1,所以-=1,解得m=1,此时l的方程为x-y+1=0,因为圆心(3,2)到直线l的距离d==,所以弦长为2=2,故D正确.
7.设P是直线l:x+y+1=0上的动点,过P作圆C:(x-3)2+(y-4)2=4的切线,则切线长的最小值为 2 .
解析:
∵圆C:(x-3)2+(y-4)2=4,∴圆心C(3,4),半径r=2.设切点为Q,由题意可知,点P到圆C的切线长|PQ|最小时,CP⊥l,∵圆心到直线的距离d==4,∴切线长的最小值为=2.
8.已知直线x-my+1=0与☉C:(x-1)2+y2=4交于A,B两点,写出满足“△ABC面积为”的m的一个值 -2(或-或或2,填写任意一个均可) .
解析:依题意可得圆C的圆心为C(1,0),半径r=2,则圆心C(1,0)到直线x-my+1=0的距离d=,|AB|=2=,所以S△ABC=×d×|AB|==,解得m=2或m=-2或m=或m=-.填写任意一个均可.
9.直线x-y+1=0与直线2x-2y-1=0是圆C的两条切线,则圆C的面积是 π .
解析:易知直线x-y+1=0与直线2x-2y-1=0平行,若两条平行直线是圆C的两条切线,则两直线之间的距离为圆的直径.直线x-y+1=0,即2x-2y+2=0,与直线2x-2y-1=0间的距离d==,则圆C的半径r=,圆C的面积S=πr2=π.
10.已知直线2x+y-2=0与圆C:x2+y2+4x-2y+a=0(a∈R)交于A,B两点,且|AB|=4.
(1)求a的值;
(2)求过点P(1,2)的C的切线方程.
解:(1)圆C:x2+y2+4x-2y+a=0(a∈R)即(x+2)2+(y-1)2=5-a,
圆心为C(-2,1),半径r=(a<5),
则圆心到直线2x+y-2=0的距离为d==,又|AB|=4,所以2=4,即5-a-()2=4,解得a=-4.
(2)由(1)可得圆C:(x+2)2+(y-1)2=9,则(1+2)2+(2-1)2>9,即点P在圆C外,
当过点P的直线斜率不存在时,直线方程为x=1,符合题意;
当过点P的直线斜率存在时,设直线方程为y-2=k(x-1),即kx-y-k+2=0,
所以=3,解得k=-,所以切线方程为y-2=-(x-1),即4x+3y-10=0,
综上可得,过点P的圆的切线方程为x=1或4x+3y-10=0.
11.若直线kx-y-3=0与曲线x=1+有两个不同的交点,则k的取值范围是( )
A.[,6] B.(,4]
C.(,+∞) D.(-6,)∪[4,6)
解析:B 直线kx-y-3=0为过点P(0,-3)的动直线,曲线x=1+,即为半圆(x-1)2+(y-2)2=1(x≥1),圆心为(1,2),半径为1,半圆最下方的点为M(1,1),如图,当直线kx-y-3=0与半圆相切时,有=1,解得k=;当直线kx-y-3=0过点M(1,1)时,有k-1-3=0,即k=4;因为直线kx-y-3=0与半圆有两个不同的交点,所以<k≤4,则k的取值范围是(,4].
12.〔多选〕已知直线l:(m-1)x+2my-3m+3=0(m∈R)和圆C:(x-2)2+(y-1)2=4,以下四个命题表述正确的是( )
A.直线l恒过点(3,0)
B.直线l与圆C恒有两个交点
C.直线l被圆C截得的最短弦长为
D.当m=2时,圆C上恰有4点到直线l的距离为1
解析:ABD 对于A,由l:(m-1)x+2my-3m+3=0(m∈R),则m(x+2y-3)-x+3=0,令解得所以直线恒过定点A(3,0),故A正确;对于B,由(3-2)2+(0-1)2=2<4,所以(3,0)在圆C内,直线l与圆C恒有两个交点,故B正确;对于C,由(x-2)2+(y-1)2=4知圆心为C(2,1),半径为r=2,当AC⊥l时,直线l被圆截得的弦长最短,又|AC|==,最短弦长为2=2,故C错误;对于D,当m=2,直线l的方程为x+4y-3=0,圆心C(2,1)到直线的距离为d==<1,圆C上恰有4点到直线l的距离为1,故D正确.故选A、B、D.
13.已知某岛屿A正西方向120 km处有一台风中心,它正向北偏东60°方向移动,移动速度的大小为20 km/h.距台风中心100 km以内的地区都将受到影响.若台风中心的这种移动趋势不变,则岛屿A所在地受到影响的持续时间为 8 小时.
解析:如图,设直角坐标系的原点O为台风中心,x轴正半轴上存在岛屿A(120,0),且台风中心在第一象限沿着直线y=x运动,以A为圆心,以100为半径的圆与直线y=x交于B,C两点,因为点A到直线x-y=0的距离d==60,则|BC|=2=160,则岛屿A所在地受到影响的持续时间为=8小时.
14.已知直线l:(m+2)x+(1-2m)y+4m-2=0与圆C:x2-2x+y2=0交于M,N两点.
(1)求直线l所过定点的坐标;
(2)求m的取值范围;
(3)若O为坐标原点,直线OM,ON的斜率分别为k1,k2,试问k1+k2是否为定值?若是,求出该定值;若不是,请说明理由.
解:(1)由直线l:(m+2)x+(1-2m)y+4m-2=0,
得m(x-2y+4)+(2x+y-2)=0,联立解得∴直线l恒过点(0,2).
(2)由圆C:x2-2x+y2=0,知圆心C(1,0),半径r=1,
由题意,得<1,得-<m<,
∴当直线l与圆C相交时,m的取值范围为.
(3)由(2)知直线l的斜率存在,设直线l的方程为y=kx+b,联立得(1+k2)x2+(2kb-2)x+b2=0,
∴x1+x2=-,x1x2=,
∴k1+k2=+===
=2k+b·=2k+b·=2k+-2k=.
由(1)可知,b=2,则k1+k2=1,
∴k1+k2是定值,且定值为1.
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