内容正文:
2.5.1 直线与圆的位置关系(第2课时) 教学设计
教学内容
本节课是人教A版(2019)选择性必修第一册第二章“直线和圆的方程”2.5.1《直线与圆的位置关系》第2课时,在前序第1课时已掌握用几何法( 与 比较)和代数法( 判断)判断直线与圆位置关系的基础上,进一步深化应用。
核心学习内容:
1. 弦长问题:从垂径定理出发推导弦长公式 ,并运用该公式解决相关计算问题。
1. 切线问题深化:过圆外一点求切线方程的完整方法(含斜率不存在讨论),切点弦方程的求法。
1. 坐标法解决实际问题:运用坐标法“四步曲”(建系→表示→运算→翻译)解决圆拱桥、轮船触礁等生活实际问题。
1. 综合题型拓展:弦中点问题、圆上点到直线距离为定值的个数问题等。
核心数学思想:坐标法思想、数形结合、分类讨论、转化与化归。
内容解析
本课时是人教 A 版(2019)选择性必修第一册第二章 “直线与圆的方程” 中 2.5.1 的深化课时,承接第 1 课时直线与圆位置关系的判定基础,聚焦 “综合应用” 展开教学.首先通过回顾几何法(圆心到直线距离 d 与半径 r 的大小关系)和代数法(联立方程判别式 Δ)的判定逻辑,建立新旧知识衔接,为后续应用铺垫;接着重点突破两大核心内容:一是直线与圆相交时的弦长计算,推导弦长公式 ,对比代数法(求交点再算距离)的繁琐,凸显几何法简化计算的优势;二是直线与圆相切时的切线方程求法,分过圆上一点(利用切线垂直半径的几何性质)和圆外一点(结合几何性质与代数求解)两种情况分析,避免代数法漏解问题.教学中贯穿数形结合思想,通过典型例题引导学生根据问题特征选择最优方法,最终实现学生对判定方法的综合运用,提升解决直线与圆相关计算、证明及简单实际问题的能力,深化对二者位置关系本质(几何特征与代数表示关联)的理解.
基于以上分析,确定本节课的教学重点为:直线与圆相交的弦长计算、相切的切线方程求法及判定方法综合运用.
教学目标
(1)能正确理解直线与圆的方程,培养数学抽象的核心素养;
(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,培养数学运算、逻辑推理的核心素养;
(3)体会坐标法解决平面几何问题的“四步曲”,培养数学运算、逻辑推理的核心素养.
目标解析
(1)本节课需引导学生结合直线与圆的位置关系(如相交、相切),理解方程的几何意义 —— 从具体的直线、圆方程抽象出其代表的图形特征,将代数表达式与几何形象关联,通过提炼共性规律培养数学抽象素养,为后续应用奠定认知基础.
(2)该目标聚焦应用能力,学生需运用直线与圆的方程解决弦长计算、切线方程求解等数学问题,及简单实际情境问题;运算中需解方程、算距离,推理中需判断位置关系找思路,同步落实数学运算与逻辑推理素养.
(3)该目标侧重 “应用”,要求学生掌握用待定系数法(据三个独立条件列方程组求D、E、F)求一般方程,同时能将其用于解决直线与圆位置关系等简单问题,实现理论到实践的转化.
(4)“四步曲”(建系、设点、列方程、求解)是坐标法核心,学生通过例题实践体会该流程:建系与设点需推理,列方程与求解需运算,在步骤衔接中深化对方法的理解,进而培养数学运算与逻辑推理素养.
达成上述目标的标志是:
1. 能独立完成坐标法解题:面对圆拱桥问题,能自主建立坐标系、写出圆的方程、代入横坐标求解纵坐标,步骤完整规范。
1. 能熟练求切线方程:对过圆外一点 作圆 的切线,能正确求出两条切线方程,不遗漏斜率不存在的情况,正确率不低于 。
1. 能灵活运用弦长公式:已知直线与圆相交,能迅速选择几何法求弦长,过程简洁、计算准确。
1. 能口头说明:坐标法解决平面几何问题的“四步曲”分别是什么,并能用自己的话解释每一步的作用。
学生已掌握直线与圆的标准方程、一般方程,及第 1 课时用几何法(d 与 r 关系)、代数法(判别式 Δ)判定直线与圆位置关系的基础,但对几何法简化计算的优势理解不深,代数法运算易出错,对知识的综合应用能力较弱.
教学中可能遇到的困难:
一是弦长公式推导时,难将弦长与圆心到直线的距离、半径通过勾股定理关联,缺乏几何直观;
二是过圆外一点求切线方程时,易忽略斜率不存在的情况导致漏解,或用代数法时判别式应用不当;
三是坐标法 “四步曲” 在实际问题中灵活应用难,建系、列方程环节易卡壳.
解决方法:
用几何画板动态演示弦长、距离、半径的关系,引导推导弦长公式;通过分类讨论(斜率存在 / 不存在)结合例题对比,强调漏解情况,用代数法验证;拆分坐标法步骤,结合简单实际问题分步练习.
基于以上分析,确定本节课的教学难点为:弦长公式推导的几何关联建立、过圆外点切线方程漏解规避及坐标法灵活应用.
知识点 坐标法解决平面几何问题的“三步曲”
第一步:建立适当的平面直角坐标系,用坐标和方程表示问题中的几何要素,如点、直线、圆,把平面几何问题转化为代数问题;
第二步:通过代数运算,解决代数问题;
第三步:把代数运算的结果“翻译”成几何结论.
课堂导入1:城市供水——圆形蓄水池与管道铺设
某城市新建一座圆形蓄水池,池壁边界方程为 (单位:米)。市政规划拟从蓄水池外的一点 铺设一条笔直供水管道,与蓄水池池壁相切(管道紧贴池壁外侧,不进入池内)。
问题1:从点 出发可以铺设几条满足条件的管道?为什么?(引导学生回顾“圆外一点引两条切线”的几何事实)
问题2:你能帮工程师求出这两条管道所在直线的方程吗?工程中需要精确的数学计算来指导施工放线。
设计意图:将“过圆外一点求切线方程”融入城市供水管道铺设的真实工程情境,让学生体会数学在工程放线中的精确计算价值。切线的“两条”特性与工程中“多方案比选”思维相呼应。
课堂导入2:景区观光——圆形湖泊与直线栈道
某景区有一圆形湖泊,湖心岛位于圆心 ,湖泊半径 米。计划在湖面上修建一条直线观光栈道,栈道两端分别位于湖北岸点 和湖南岸点 。
问题1:这条栈道是否会穿过湖心岛区域?如果穿过,湖心岛上的游客能否看到栈道上的观光车?(判断直线与圆的位置关系)
问题2:若栈道穿过湖泊,施工时需要在湖面上架设多长的栈道水面部分?(求弦长,激发学生探究弦长计算方法的需求)
设计意图:将“判断直线与圆的位置关系”和“求弦长”融入景区栈道设计情境。栈道穿湖长度的计算直接对应弦长公式的应用需求,让学生自然产生“如何精确计算弦长”的探究动机。
台风“桦加沙”中心从A地以20 km/h的速度向西北方向移动,离台风中心30 km内的地区为危险区,广州市在A地正西40 km处,则广州市是否会遭遇到台风的危害吗?
这是生活中一个关于直线与圆位置关系的具体场景,像这种类似的场景生活中还有很多,那么我们是可以应用所学知识,解决生活中一些具体的问题的.
设计意图:以台风避险的生活情境引入,激发学生兴趣,引导用直线与圆位置关系旧知思考,为新课应用铺垫,培养数学应用意识.
教学建议:引导学生提取情境中 A 地、广州位置及台风危险区等已知量,逐步转化为数学模型(建系、定圆与直线),通过提问或小组讨论落实建模,自然衔接新课.
回顾:在学习《两点间的距离公式》时,我们学会了会运用坐标法解决简单的平面几何问题,请回顾:用坐标法解决简单的平面几何问题的四个基本步骤:
学生:思考并回顾之前所学知识,马上得出答案
一建:建立适当的平面直角坐标系,
二表:用坐标或方程表示点、距离、直线、圆等有关几何要素
三算:进行有关代数运算
四翻译:把代数运算的结果“翻译”成几何结论
教师:今天我们将再一次应用坐标法,解决生活中的一些简单实际问题
例3 如图是某圆拱形桥一孔圆拱的示意图.圆拱跨度,拱高,建造时每间隔需要一根支柱支撑,求支柱的高度(精确到).
回顾:建立适当的平面直角坐标系的三大原则是什么?
学生:思考并回顾之前所学知识,马上得出答案
原则一:让尽可能多的点落在坐标轴上
原则二:条件中有两条线垂直,一般的这两条线作为坐标轴
原则三:轴对称图形,对称轴一般作为坐标轴
思考:如何在该图形中建立直角坐标系?
学生:借助建立平面直角坐标系的原则,尝试着建立适合的坐标系:
以O为原点,线段AB所在直线为x轴,建立平面直角坐标系
追问:原点O是圆心吗?
学生:根据题意思考得出答案:不是,圆心在y轴上,可令圆心坐标(0,b)
转化:建立平面直角坐标系,将实际应用问题转化为怎样的数学问题?
原题:圆拱跨度,拱高,建造时每间隔需要一根支柱支撑,求支柱的高度.
转化后:已知___________________________________,圆心在________上,求点P2的________坐标.
学生:尝试着将生活中的问题,转变为数学问题,用数学符号和语言表示出已知条件和所求的量,从而结合题意得出结论:
由点P2在圆上,可以先求圆的方程,然后代入点P2的横坐标,求得P2纵坐标.
学生:结合以上思考并与同桌交流,共同得出答案,做好分享准备.
预设:建立如图所示的直角坐标系,使线段所在直线为x轴,O为坐标原点,圆心在y轴上. 由题意,点,的坐标分别为,.设圆心坐标是,圆的半径是,
那么圆的方程是
.
下面确定和的值.
因为,两点都在圆上,所以它们的坐标,都满足方程.
于是,得到方程组
.
解得
,.
所以,圆的方程是
.
把点的横坐标代入圆的方程,得
.
即(的纵坐标,平方根取正值).所以
m.
答:支柱的高度约为3.86m.
思考:如果不用坐标法,用综合法,借助辅助线和直角三角形解该题,如何解答
追问:根据以上两种方法的解题过程,比较综合法和坐标法的特点
学生:体会以上两种解法,并分析比较综合法和坐标法的特点,比得出答案:
综合法中添加了辅助线,有一定的技巧,而且求解过程中利用了垂径定理,并多次使用勾股定理进行计算,过程较复杂.
坐标法更具普适性,思维难度也低,对学生数学运算素养的提升意义深刻.
例4:一个小岛的周围有环岛暗礁,暗礁分布在以小岛中心为圆心,半径为20 km的圆形区域内.已知小岛中心位于轮船正西40 km处,港口位于小岛中心正北30 km处.如果轮船沿直线返港,那么它是否会有触礁危险?
师生:共同分析,先画出示意图,了解小岛中心、轮船、港口的方位和距离.如右图, 根据题意,建立适当的平面直角坐标系,求出暗礁所在区域的边缘圆的方程,以及轮船返港直线的方程,利用方程判断直线与圆的位置关系,进而确定轮船是否有触礁危险.
学生:思考并与同桌交流,共同得出答案,做好分享准备.
预设:以小岛的中心为原点, 东西方向为x轴,建立如图所示的直角坐标系.为了运算的简便,我们取10 km为单位长度,则港口所在位置的坐标为,轮船所在位置的坐标为.
这样,受暗礁影响的圆形区域的边缘所对应的圆的方程为
.
轮船航线所在直线的方程为
,即.
联立直线与圆的方程,得
消去,得
.
由,可知方程组无解.
所以直线l与圆O相离,轮船沿直线返港不会有触礁危险.
思考:你还能用其他方法解决上述问题吗?
教师:提示借助向量工具求一些距离问题
师生:共同分析,前面我们学过向量,利用向量工具解决平面几何问题也很方便,我们考虑如何利用向量来解决这个问题,可以利用向量求出点O到直线AB的距离,然后与暗礁分布范围的半径比较大小即可判断,是否会触礁.
学生:结合以上分析与同桌交流,共同得出答案,做好分享准备.
预设:以小岛的中心为原点, 东西方向为x轴,建立如图所示的直角坐标系,则港口所在位置的坐标为,轮船所在位置的坐标为.
所以,,直线AB的一个法向量为,
所以,点O到直线AB的距离为:
所以轮船沿直线返港不会有触礁危险.
思考:比较坐标法与向量法,它们在解决几何问题时,有什么异同点?
学生:体会向量法和坐标法的解题过程,并得出其中的异同点:
向量法解决几何问题的步骤,和坐标法很类似:
首先将点、线、面等几何要素用向量表示,其次对这些向量进行运算,最后后把向量运算的结果“翻译”成关于点、线、面的相应结果.
由于向量线性运算给向量表示几何要素带来的便利性,以及向量数量积运算在刻画长度与角度方面的强大功能,使得向量法在解决几何问题中发挥了巨大的作用,使许多问题的解决变得方便且简捷.
题型一:圆的中点弦问题
例题 若点为圆的弦的中点,求直线的方程.
预设:将的圆心,则直线CM的斜率,
由垂径定理可得:直线与垂直,
故直线AB的斜率,
则直线的方程为,即.
.
方法总结:已知弦的中点坐标,求弦所在直线的方程
第一步:先求圆的圆心坐标,和半径;
第二步:利用圆心坐标和弦的中点坐标求所在直线l的斜率
第三步:根据垂径定理,利用直线l与弦垂直,求得弦所在直线斜率
第四步:利用斜率和中点坐标,即可用点斜式写出直线方程
题型二:圆的切线长问题
例题:过圆外的点作O的一条切线,切点为A,则( )
A. B. C. D.5
预设:由题意可知:圆O的圆心为,半径,
所以,即.
故选:B.
题型三:圆的切点弦的方程问题
例题:过点作圆的切线,,过切点A,B的直线方程为 .
预设:以为直径的圆的方程,即以为圆心,
以为半径的圆的方程为:,
又圆,两圆方程相减可得.
故答案为:
题型四:直线与圆的位置关系实际应用问题
如图,某海面上有O、A、B三个小岛(面积大小忽略不计),A岛在O岛的北偏东方向距O岛千米处,B岛在O岛的正东方向距O岛20千米处以O为坐标原点,O的正东方向为x轴的正方向,1千米为单位长度,建立平面直角坐标系圆C经过O、A、B三点.
(1)求圆C的标准方程;
(2)若圆C区域内有未知暗礁,现有一船D在O岛的南偏西方向距O岛40千米处,正沿着北偏东行驶,若不改变方向,试问该船有没有触礁的危险?
预设:(1)如图所示,,设圆C的方程为,
得:,解得,
故所以圆C的方程为,圆心为,半径
(2)该船初始位置为点D,则,且该船航线所在直线l的斜率为,
故该船航行方向为直线,
由于圆心C到直线l的距离,故该船没有触礁的危险.
题型五:圆上的点到直线距离为定值的个数问题
例题 已知圆,直线,设圆上恰有n个点到直线的距离等于1.
(1)当时,求b的取值范围? (2)当时,求b的取值范围?
(3)当时,求b的取值范围? (4)当时,求b的取值范围?
预设:(1)由题知圆的方程为,所以圆心为,半径为,
若圆上恰有1个点到直线的距离等于1,
则圆心到直线的距离满足,
则,解得.解得或.
(2)若圆上恰有2个点到直线的距离等于1,
则圆心到直线的距离满足,
则,解得.
解得或.
(3)因为圆上恰有3个点到直线的距离都等于1,
所以只需要圆心到直线的距离为即可,
所以圆心到直线的距离为:,解得
(4)因为圆上恰有4个点到直线l的距离都等于1,
所以圆心到直线的距离小于1,
因此有.
方法总结:
直线与圆有公共点 (此时d≤r)
直线与圆无公共点 (此时d>r)
1.(2026·陕西榆林·模拟预测)当直线与圆相交所得弦长最短时,实数的值为( )
A.1 B. C. D.
【答案】B
【知识点】过圆内定点的弦长最值(范围)
【分析】求出直线过定点,求出圆的圆心和半径,当时,直线与圆相交所得弦长最短,根据斜率得到方程,求出答案.
【详解】直线过定点,
圆的标准方程为,则圆心为,半径为.
定点在圆内,当时,直线与圆相交所得弦长最短.
因为,所以直线的斜率为1,故,解得.故选:B.
2.(25-26高二下·湖北·期中)已知圆,直线,则直线被圆截得的最短弦长为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【知识点】过圆内定点的弦长最值(范围)
【详解】圆的圆心为,半径.
将直线的方程整理为关于的式子:.
令,解得,即直线恒过定点.
由于恒过定点,故当时,直线被圆截得的弦最短.
计算.
最短弦长故选:B
3.(25-26高二上·江苏淮安·期中)过圆上一点作圆的切线则的方程为( )
A. B. C. D.
【答案】C
【知识点】过圆上一点的圆的切线方程
【分析】先求圆心C,和切线垂直,求出切线斜率,然后求直线方程.
【详解】由题意得:圆心,所以,且,解得.
所以直线的方程为:,化简得:.
故选:C
4.(25-26高二上·辽宁抚顺·期末)过圆上一点作圆的切线,则的方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】C
【知识点】过圆上一点的圆的切线方程
【分析】由题意可得,从而得,写出直线的点斜式方程,再化成一般式即可.
【详解】圆的圆心为,
则直线的斜率,
因为过圆上一点的切线与该点和圆心所在的直线垂直,
即,
所以,
则切线的斜率,
所以直线的方程为,
即.
故选:C.
5.(25-26高二上·河北石家庄·阶段检测)圆在点处的切线方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【知识点】过圆上一点的圆的切线方程
【分析】利用圆心与切点连线和切线垂直可求出切线斜率,再根据点斜式可得答案.
【详解】,由切线与直线垂直,
得:,得:,
又因为切线经过,
所以切线的方程为:,
即.
故选:A
6.(25-26高二上·云南楚雄·期中)过圆上的点作圆的切线,则切线方程为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【知识点】过圆上一点的圆的切线方程
【分析】由过点的切线与垂直求其方程.
【详解】圆的圆心为,因为点在圆上,且,
所以所求切线与轴垂直,故所求切线的方程为.
故选:D.
7.(25-26高二上·山西太原·阶段检测)过圆上的点作圆的切线,则切线方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】D
【知识点】过圆上一点的圆的切线方程
【分析】由题知,点在圆上,且,由此可得出所求切线的方程
【详解】圆的圆心为,因为点在圆上,且,
易知所求切线与轴垂直,故所求切线的方程为,即.
故选:D.
8.(25-26高二上·江苏连云港·期中)过圆上一点作圆的切线,则的方程为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【知识点】过圆上一点的圆的切线方程
【分析】利用切线与切点和圆心所在直线垂直,根据直线垂直的条件得到切线的斜率,进而利用点斜式写出切线的方程.
【详解】圆的圆心为,则直线的斜率为,
因为过圆上一点的切线与该点和圆心所在的直线垂直,即,
所以,则切线的斜率为,
所以直线的方程为,即.
故选:D
9.(26-27高三·全国·一轮复习)由直线上的一点向圆引切线,则切线长的最小值为( )
A.1 B. C. D.3
【答案】C
【知识点】圆上点到定直线(图形)上的最值(范围)、切线长
【详解】圆即为,可知圆心为,半径,
在直线上取一点P,过P向圆引切线,设切点为A,连接CA,
在中,.要使最小,则应最小.
又当PC与直线垂直时,最小,其最小值为.
故的最小值为.故选:C
10.(25-26高三上·广西贵港·开学考试)已知圆,过直线上的动点P作圆C的一条切线,切点为A,则的最小值为( )
A.2 B. C.4 D.3
【答案】B
【知识点】直线与圆的位置关系求距离的最值、求点到直线的距离、切线长
【分析】连接,则有,当最小时,最小, 则为圆心到直线的距离,从而得到的最小值.
【详解】连接,则,
当最小时,最小,又圆的圆心为,半径为,
则,故的最小值为.
故选:B.
1.(25-26高二下·甘肃兰州·期中)若直线x+y=0交圆C:于A,B两点,则|AB|=( )
A. B. C. D.2
【答案】B
【知识点】圆的弦长与中点弦
【分析】求出圆心到直线的距离,由勾股定理求弦长.
【详解】可化为,
圆心的坐标为,半径为,
则圆心到直线x+y=0的距离为,
所以.故选:B.
2.(2026·甘肃武威·模拟预测)已知直线与圆交于,两点,则的最小值为( )
A. B. C. D.
【答案】C
【知识点】直线过定点问题、过圆内定点的弦长最值(范围)、圆的弦长与中点弦
【详解】将直线方程整理为, 该式对任意实数恒成立,故需满足
解得,即直线恒过定点.圆心,半径.
圆心到定点的距离.
当直线时,弦长最小.
由弦长公式得最小值为.
故的最小值为.故选:C.
3.(2026·湖南长沙·三模)已知圆:,过点的直线与圆交于,两点,则弦的最小值为( )
A.24 B.12 C.10 D.5
【答案】A
【知识点】过圆内定点的弦长最值(范围)
【详解】求弦最小值,即求圆心到直线距离的最大值.
因为,所以在圆中,
所以,
因此.故选:A.
4.(2026·山西晋城·模拟预测)当直线与圆相交所得弦长最短时,实数的值为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【知识点】过圆内定点的弦长最值(范围)
【分析】利用圆的几何性质来判断最短弦长的位置关系.
【详解】直线过定点,
圆的标准方程为,则圆心为,半径为.
当时,直线与圆相交所得弦长最短,因为,
所以直线的斜率为,故,解得.故选:B.
1. 知识清单
· 坐标法四步曲:建系→表示→运算→翻译。
· 弦长公式:(几何法)。
· 切线方程求法:设斜率 →→解方程→验证斜率不存在。
· 实际应用建模:将实际问题转化为数学问题(直线与圆的位置关系)。
2. 方法归纳
问题类型
解题策略
关键点
求弦长
几何法:
先求 ,再代入公式
求切线(圆外一点)
设 ,用
必须讨论斜率不存在
实际应用
坐标法四步曲
建系策略是成败关键
中点弦
垂径定理
圆心与中点连线垂直于弦
3. 易错提醒
易错点
正确做法
求切线漏掉斜率不存在的情况
解题第一步先判断:斜率不存在时是否满足
弦长公式记错
,不是
实际问题单位换算错误
统一单位,或取合适单位长度简化运算
坐标法“翻译”环节丢失
算出代数结果后,务必回归几何意义
基础作业:教材P95 练习第1、2、3题。
提升作业:完成配套辅导资料《直线与圆的位置关系(第2课时)》A组题。
拓展作业(选做) :
从圆 外一点 作圆的两条切线,切点分别为 、,求证:直线 的方程为 。(提示:利用切点与圆心连线垂直于切线,或利用以 为直径的圆与原圆的公共弦方程。)
2.5.1 直线与圆的位置关系(第2课时)
1. 直线与圆的位置关系判断方法:代数法、几何法
2. 坐标法四步曲:
3. 建系三大原则:
4. 例题区:(学生板演区域)
(一)成功之处
以圆拱桥实际情境引入坐标法,有效激发了学生的探究兴趣。通过几何画板动态演示弦长、弦心距、半径的勾股关系,帮助学生顺利推导出弦长公式。将求切线方程的步骤固化为可操作的程序,多数学生能掌握分类讨论的要点。
(二)不足之处
部分学生在实际问题的建系环节仍显被动,面对圆拱桥问题不知如何选择坐标系;过圆外一点求切线时,仍有学生遗漏斜率不存在的情况;坐标法“四步曲”的步骤衔接不够流畅,少数学生在“翻译”环节忘记回归几何意义。
(三)改进措施
1. 增加建系策略的专项训练,通过对比不同建系方式的解题繁简,帮助学生体会“好的坐标系让运算更简单”。
1. 设计“斜率不存在验证”的强制步骤,在解题模板中明确标注“第一步:验证斜率不存在”。
1. 在坐标法教学中强化“翻译”环节,引导学生养成“算出结果后追问——这个数代表什么几何意义?”的思维习惯。
1. 针对运算薄弱学生,增加基础计算的分步练习,降低综合题的认知负荷。
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