車樹勤
直線與圓、圓與圓的位置關(guān)系是歷年高考的一個(gè)熱點(diǎn),除考查位置關(guān)系之外,還考查軌跡問題及與圓有關(guān)的最值問題. 點(diǎn)到直線的距離公式與垂徑定理是解決與圓有關(guān)的問題所常用的兩個(gè)方法,用好了能起到事半功倍的效果.
重點(diǎn)難點(diǎn)
重點(diǎn):(1)直線與圓的相交、相切問題,判斷直線與圓、圓與圓的位置關(guān)系;(2)計(jì)算弦長、面積,考查與圓有關(guān)的最值問題;(3)根據(jù)已知條件求圓的方程.
難點(diǎn):(1)圓的幾何性質(zhì);(2)通過數(shù)形結(jié)合法解決圓的切線、直線被圓截得的弦長等直線與圓的綜合問題;(3)用代數(shù)法處理幾何問題.
方法突破
1. 直線與圓的位置關(guān)系的判定
(1)代數(shù)法(判別式法):聯(lián)立圓的方程與直線的方程,由判別式討論方程的實(shí)數(shù)解的個(gè)數(shù).
(2)幾何法:比較圓心到直線的距離與圓半徑的大小.
結(jié)合代數(shù)法和幾何法,可得直線Ax+By+C=0與圓(x-a)2+(y-b)2=r2的位置關(guān)系有三種(d是圓心到直線的距離):若d>r?圳相離?圳Δ<0;d=r?圳相切?圳Δ=0;d
2. 直線和圓相交弦的計(jì)算
有兩種方法:一是用弦長公式P=x1-x2,二是用勾股定理P=2.
3. 圓的切線方程
求圓的切線方程一般有如下三種方法,同學(xué)們?cè)诮忸}時(shí)要根據(jù)題目所給的條件進(jìn)行選擇.
(1)圓x2+y2=r2上點(diǎn)M(x0,y0)處的切線方程:x0x+y0y=r2.
(2)若已知切線過圓外一點(diǎn)P(x0,y0),則設(shè)切線方程為y-y0=k(x-x0),再利用圓心到切線的距離等于半徑求出k的值,這時(shí)有兩條切線. 同學(xué)們要注意不要漏掉平行于y軸的切線.
(3)若已知切線方程的斜率為k,則設(shè)切線方程為y=kx+b,再利用相切條件求出b的值,這時(shí)必有兩條切線.
4. 圓與圓的位置關(guān)系的判定
(1)幾何法:設(shè)圓O1的半徑為r1,圓O2的半徑為r2,兩個(gè)圓的圓心距d=O1O2,則
①d>R+r?圳兩圓外離?圳兩圓僅有4條公切線;
②d=R+r?圳兩圓外切?圳兩圓僅有3條公切線;
③d=R-r?圳兩圓內(nèi)切?圳兩圓僅有1條公切線;
④R-r ⑤d (2)代數(shù)法:聯(lián)立兩圓的方程,若方程有兩組不同實(shí)數(shù)解?圳兩圓相交;若方程有一組實(shí)數(shù)解?圳兩圓相切;若方程沒有實(shí)數(shù)解?圳兩圓相離或內(nèi)含. 在討論直線與圓、圓與圓的位置關(guān)系時(shí),一般不用代數(shù)法,而用圓心到直線的距離與半徑的大小關(guān)系、圓心距與半徑的大小關(guān)系,分別確定相交、相切、相離的位置關(guān)系. 5. 圓與圓的公共弦問題 若圓C1:x2+y2+D1x+E1x+F1=0和圓C2:x2+y2+D2x+E2x+F2=0相交,則它們公共弦所在直線的方程為(D1-D2)x+(E1-E2)y+(F1-F2)=0. 典例精講 1. 直線與圓的位置關(guān)系 例1 (2014年高考重慶卷)已知直線ax+y-2=0與圓心為C的圓(x-1)2+(y-a)2=4相交于A,B兩點(diǎn),且△ABC為等邊三角形,則實(shí)數(shù)a的值為________. 思索 本題考查直線與圓的位置關(guān)系,點(diǎn)到直線的距離公式. 本題已知△ABC為等邊三角形,半徑長就是該三角形的邊長,可求出三角形的高,利用圓心到該直線的距離可求出a的值. 破解 因?yàn)閳A的半徑為2,又△ABC為等邊三角形,所以△ABC的高為,即圓心C到直線ax+y-2=0的距離為,所以=,解得a=4±. 2. 圓的切線問題 例2 已知圓C:(x-3)2+(y-4)2=4,直線l1過定點(diǎn)A(1,0). (1)若l1與圓C相切,求l1的方程; (2)若l1與圓C相交于P,Q兩點(diǎn),線段PQ的中點(diǎn)為M,又l1與l2:x+2y+2=0的交點(diǎn)為N,判斷AM·AN是否為定值,若是,求出定值;若不是,請(qǐng)說明理由. 思索 (1)過一點(diǎn)求圓的切線應(yīng)首先判斷該點(diǎn)是在圓上還是在圓外,當(dāng)點(diǎn)(x0,y0)在圓上時(shí)該點(diǎn)即為切點(diǎn),圓的切線只有一條;當(dāng)點(diǎn)(x0,y0)在圓外,則設(shè)切線方程為y-y0=k(x-x0),化成一般式kx-y+y0-kx0=0,再利用圓心到直線的距離等于半徑,解出k. 注意:若此方程只有一個(gè)實(shí)根,則還有一條斜率不存在的直線,切記此點(diǎn). (2)可先求出M,N兩點(diǎn)的坐標(biāo),再用兩點(diǎn)間的距離公式求出AM,AN,然后進(jìn)行化簡可求得結(jié)果,但此方法計(jì)算比較復(fù)雜;若對(duì)AM·AN進(jìn)行轉(zhuǎn)化,利用△AMC∽△ABN,可得AM·AN=AC·AB,此方法計(jì)算就比較簡便了. 破解 (1)①若直線l1的斜率不存在,即直線是x=1,符合題意. ②若直線l1的斜率存在,設(shè)直線l1為y=k(x-1),即kx-y-k=0. 由題意知,圓心(3,4)到直線l1的距離等于半徑2,即=2,解之得k=. 故所求直線的方程是x=1或3x-4y-3=0. (2)解法1:過程略,同學(xué)們可自行嘗試. 解法2:如圖1,連結(jié)CA并延長交l2于點(diǎn)B,kAC=2,k=-,所以CB⊥l2. 所以△AMC∽△ABN,則=,可得AM·AN=AC·AB=2·=6,為定值. 3. 弦長問題 例3 已知直線l:y=kx+1,圓C:(x-1)2+(y+1)2=12. (1)試證明:不論k為何實(shí)數(shù),直線l和圓C總有兩個(gè)交點(diǎn); (2)求直線l被圓C截得的最短弦長.
思索 (1)將直線方程與圓方程聯(lián)立,判斷該方程組有兩個(gè)解;或通過直線過定點(diǎn),該定點(diǎn)在圓內(nèi)證明;或利用圓心到直線的距離小于圓半徑證明. (2)利用弦長公式表示出弦長,轉(zhuǎn)化為求關(guān)于k的函數(shù)的最值問題;也可用平面幾何的知識(shí),判斷出過圓內(nèi)定點(diǎn)的弦與過該定點(diǎn)的半徑垂直時(shí)該弦最短.
破解 (1)略.
(2)解法1:設(shè)直線與圓交于A(x1,y1),B(x2,y2)兩點(diǎn),則可得直線l被圓C截得的弦長AB=x1-x2=2=2. 令t=,則tk2-4k+(t-3)=0. 當(dāng)t=0時(shí),k=-;當(dāng)t≠0時(shí),因?yàn)閗∈R,所以Δ=16-4t(t-3)≥0,解得-1≤t≤4,且t≠0,故t=的最大值為4,此時(shí)AB的最小值為2.
解法2:由平面幾何知識(shí),知AB=2=2,下同解法1.
解法3:由平面幾何知識(shí)知過圓內(nèi)定點(diǎn)P(0,1)的弦,只有和PC(C為圓心)垂直時(shí)才最短,而此時(shí)點(diǎn)P(0,1)為弦AB的中點(diǎn). 由勾股定理,知AB=2=2,即直線l被圓C截得的最短弦長為2.
4. 圓與圓的位置關(guān)系
例4 (2014年高考湖南卷)若圓C1:x2+y2=1與圓C2:x2+y2-6x-8y+m=0外切,則m等于( )
A. 21 B. 19 C. 9 D. -11
思索 根據(jù)兩個(gè)圓的方程可以知道其圓心與半徑,當(dāng)兩個(gè)圓外切時(shí)圓心距等于兩個(gè)圓半徑的和,即可解出m的值.
破解 過程略,答案選C.
5. 與圓有關(guān)的綜合問題
例5 如圖2,為保護(hù)河上古橋OA,規(guī)劃建一座新橋BC,同時(shí)設(shè)立一個(gè)圓形保護(hù)區(qū),規(guī)劃要求:新橋BC與河岸AB垂直,保護(hù)區(qū)的邊界為圓心M在線段OA上并與BC相切的圓,且古橋兩端O和A到該圓上任意一點(diǎn)的距離均不少于80 m. 經(jīng)測量,點(diǎn)A位于點(diǎn)O正北方向60 m處,點(diǎn)C位于點(diǎn)O正東方向170 m處(OC為河岸),tan∠BCO=.
(1)求新橋BC的長:
(2)當(dāng)OM多長時(shí),圓形保護(hù)區(qū)的面積最大?
思索 本題是應(yīng)用題,可以用解析法來解決. 以O(shè)為原點(diǎn),分別以向東、向北為x軸、y建立直角坐標(biāo)系. (1)要求BC的長,就要求得點(diǎn)B的坐標(biāo). 已知tan∠BCO=,說明直線BC的斜率為-,這樣直線BC的方程可立即得出;又AB⊥BC,故直線AB的方程也易得出,兩條直線的交點(diǎn)B的坐標(biāo)隨之而得. (2)本問題的實(shí)質(zhì)就是求圓半徑最大,即求線段OA上某點(diǎn)到直線BC的距離最大. 注意要考慮條件“古橋兩端O和A到該圓上任一點(diǎn)的距離均不少于80 m”.
破解 (1)如圖2,以O(shè)C方向?yàn)閤軸,OA方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系,則可得A(0,60),C(170,0). 由題意,kBC=-,所以直線BC的方程為y= -(x-170);又kAB=-=,所以直線AB的方程為y=x+60. 聯(lián)立兩直線方程y=-(x-170),y=x+60,解得x=80,y=120.即B(80,120). 所以BC=150(m).
(2)設(shè)點(diǎn)M(0,m)(0≤m≤60),點(diǎn)B(80,120),直線BC的方程為y= -(x-170),即4x+3y-680=0,所以半徑R=. 又因?yàn)楣艠騼啥薕和A到該圓上任意一點(diǎn)的距離均不少于80 m,所以R-AM≥80且R-OM≥80,所以有-(60-m)≥80且-m≥80. 所以10≤m≤35. 所以R=≤130,當(dāng)m=10時(shí)圓面積最大. 所以當(dāng)OM=10時(shí)圓形保護(hù)區(qū)面積最大.
變式練習(xí)
1. 如果圓x2+y2-2ax-2ay+2a2-4=0與圓x2+y2=4總相交,則實(shí)數(shù)a的取值范圍是________.
2. 已知直線l過點(diǎn)(-2,0),當(dāng)直線l與圓x2+y2=2x有兩個(gè)交點(diǎn)時(shí),其斜率k的取值范圍是________.
3. (2014年高考浙江卷)已知圓x2+y2+2x-2y+a=0截直線x+y+2=0所得弦的長度為4,則實(shí)數(shù)a的值為( )
A. -2 B. -4 C. -6 D. -8
4. (2014年高考山東卷)圓心在直線x-2y=0上的圓C與y軸的正半軸相切,圓C截x軸所得弦長為2,則圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程為________.
5. 如圖3,在平面直角坐標(biāo)系xOy中,已知橢圓E:+=1(a>b>0)的離心率e=,A1,A2分別是橢圓E的左、右兩個(gè)頂點(diǎn);圓A2的半徑為a,過點(diǎn)A1作圓A2的切線,切點(diǎn)為P,在x軸的上方交橢圓E于點(diǎn)Q.
(1)求直線OP的方程;
(2)求的值;
(3)設(shè)a為常數(shù). 過點(diǎn)O作兩條互相垂直的直線,分別交橢圓E于點(diǎn)B,C,分別交圓A2于點(diǎn)M,N,記△OBC和△OMN的面積分別為S1,S2,求S1·S2的最大值.
參考答案
難點(diǎn):(1)圓的幾何性質(zhì);(2)通過數(shù)形結(jié)合法解決圓的切線、直線被圓截得的弦長等直線與圓的綜合問題;(3)用代數(shù)法處理幾何問題.
方法突破
1. 直線與圓的位置關(guān)系的判定
(1)代數(shù)法(判別式法):聯(lián)立圓的方程與直線的方程,由判別式討論方程的實(shí)數(shù)解的個(gè)數(shù).
(2)幾何法:比較圓心到直線的距離與圓半徑的大小.
結(jié)合代數(shù)法和幾何法,可得直線Ax+By+C=0與圓(x-a)2+(y-b)2=r2的位置關(guān)系有三種(d是圓心到直線的距離):若d>r?圳相離?圳Δ<0;d=r?圳相切?圳Δ=0;d
2. 直線和圓相交弦的計(jì)算
有兩種方法:一是用弦長公式P=x1-x2,二是用勾股定理P=2.
3. 圓的切線方程
求圓的切線方程一般有如下三種方法,同學(xué)們?cè)诮忸}時(shí)要根據(jù)題目所給的條件進(jìn)行選擇.
(1)圓x2+y2=r2上點(diǎn)M(x0,y0)處的切線方程:x0x+y0y=r2.
(2)若已知切線過圓外一點(diǎn)P(x0,y0),則設(shè)切線方程為y-y0=k(x-x0),再利用圓心到切線的距離等于半徑求出k的值,這時(shí)有兩條切線. 同學(xué)們要注意不要漏掉平行于y軸的切線.
(3)若已知切線方程的斜率為k,則設(shè)切線方程為y=kx+b,再利用相切條件求出b的值,這時(shí)必有兩條切線.
4. 圓與圓的位置關(guān)系的判定
(1)幾何法:設(shè)圓O1的半徑為r1,圓O2的半徑為r2,兩個(gè)圓的圓心距d=O1O2,則
①d>R+r?圳兩圓外離?圳兩圓僅有4條公切線;
②d=R+r?圳兩圓外切?圳兩圓僅有3條公切線;
③d=R-r?圳兩圓內(nèi)切?圳兩圓僅有1條公切線;
④R-r ⑤d (2)代數(shù)法:聯(lián)立兩圓的方程,若方程有兩組不同實(shí)數(shù)解?圳兩圓相交;若方程有一組實(shí)數(shù)解?圳兩圓相切;若方程沒有實(shí)數(shù)解?圳兩圓相離或內(nèi)含. 在討論直線與圓、圓與圓的位置關(guān)系時(shí),一般不用代數(shù)法,而用圓心到直線的距離與半徑的大小關(guān)系、圓心距與半徑的大小關(guān)系,分別確定相交、相切、相離的位置關(guān)系. 5. 圓與圓的公共弦問題 若圓C1:x2+y2+D1x+E1x+F1=0和圓C2:x2+y2+D2x+E2x+F2=0相交,則它們公共弦所在直線的方程為(D1-D2)x+(E1-E2)y+(F1-F2)=0. 典例精講 1. 直線與圓的位置關(guān)系 例1 (2014年高考重慶卷)已知直線ax+y-2=0與圓心為C的圓(x-1)2+(y-a)2=4相交于A,B兩點(diǎn),且△ABC為等邊三角形,則實(shí)數(shù)a的值為________. 思索 本題考查直線與圓的位置關(guān)系,點(diǎn)到直線的距離公式. 本題已知△ABC為等邊三角形,半徑長就是該三角形的邊長,可求出三角形的高,利用圓心到該直線的距離可求出a的值. 破解 因?yàn)閳A的半徑為2,又△ABC為等邊三角形,所以△ABC的高為,即圓心C到直線ax+y-2=0的距離為,所以=,解得a=4±. 2. 圓的切線問題 例2 已知圓C:(x-3)2+(y-4)2=4,直線l1過定點(diǎn)A(1,0). (1)若l1與圓C相切,求l1的方程; (2)若l1與圓C相交于P,Q兩點(diǎn),線段PQ的中點(diǎn)為M,又l1與l2:x+2y+2=0的交點(diǎn)為N,判斷AM·AN是否為定值,若是,求出定值;若不是,請(qǐng)說明理由. 思索 (1)過一點(diǎn)求圓的切線應(yīng)首先判斷該點(diǎn)是在圓上還是在圓外,當(dāng)點(diǎn)(x0,y0)在圓上時(shí)該點(diǎn)即為切點(diǎn),圓的切線只有一條;當(dāng)點(diǎn)(x0,y0)在圓外,則設(shè)切線方程為y-y0=k(x-x0),化成一般式kx-y+y0-kx0=0,再利用圓心到直線的距離等于半徑,解出k. 注意:若此方程只有一個(gè)實(shí)根,則還有一條斜率不存在的直線,切記此點(diǎn). (2)可先求出M,N兩點(diǎn)的坐標(biāo),再用兩點(diǎn)間的距離公式求出AM,AN,然后進(jìn)行化簡可求得結(jié)果,但此方法計(jì)算比較復(fù)雜;若對(duì)AM·AN進(jìn)行轉(zhuǎn)化,利用△AMC∽△ABN,可得AM·AN=AC·AB,此方法計(jì)算就比較簡便了. 破解 (1)①若直線l1的斜率不存在,即直線是x=1,符合題意. ②若直線l1的斜率存在,設(shè)直線l1為y=k(x-1),即kx-y-k=0. 由題意知,圓心(3,4)到直線l1的距離等于半徑2,即=2,解之得k=. 故所求直線的方程是x=1或3x-4y-3=0. (2)解法1:過程略,同學(xué)們可自行嘗試. 解法2:如圖1,連結(jié)CA并延長交l2于點(diǎn)B,kAC=2,k=-,所以CB⊥l2. 所以△AMC∽△ABN,則=,可得AM·AN=AC·AB=2·=6,為定值. 3. 弦長問題 例3 已知直線l:y=kx+1,圓C:(x-1)2+(y+1)2=12. (1)試證明:不論k為何實(shí)數(shù),直線l和圓C總有兩個(gè)交點(diǎn); (2)求直線l被圓C截得的最短弦長. 思索 (1)將直線方程與圓方程聯(lián)立,判斷該方程組有兩個(gè)解;或通過直線過定點(diǎn),該定點(diǎn)在圓內(nèi)證明;或利用圓心到直線的距離小于圓半徑證明. (2)利用弦長公式表示出弦長,轉(zhuǎn)化為求關(guān)于k的函數(shù)的最值問題;也可用平面幾何的知識(shí),判斷出過圓內(nèi)定點(diǎn)的弦與過該定點(diǎn)的半徑垂直時(shí)該弦最短. 破解 (1)略. (2)解法1:設(shè)直線與圓交于A(x1,y1),B(x2,y2)兩點(diǎn),則可得直線l被圓C截得的弦長AB=x1-x2=2=2. 令t=,則tk2-4k+(t-3)=0. 當(dāng)t=0時(shí),k=-;當(dāng)t≠0時(shí),因?yàn)閗∈R,所以Δ=16-4t(t-3)≥0,解得-1≤t≤4,且t≠0,故t=的最大值為4,此時(shí)AB的最小值為2.
解法2:由平面幾何知識(shí),知AB=2=2,下同解法1.
解法3:由平面幾何知識(shí)知過圓內(nèi)定點(diǎn)P(0,1)的弦,只有和PC(C為圓心)垂直時(shí)才最短,而此時(shí)點(diǎn)P(0,1)為弦AB的中點(diǎn). 由勾股定理,知AB=2=2,即直線l被圓C截得的最短弦長為2.
4. 圓與圓的位置關(guān)系
例4 (2014年高考湖南卷)若圓C1:x2+y2=1與圓C2:x2+y2-6x-8y+m=0外切,則m等于( )
A. 21 B. 19 C. 9 D. -11
思索 根據(jù)兩個(gè)圓的方程可以知道其圓心與半徑,當(dāng)兩個(gè)圓外切時(shí)圓心距等于兩個(gè)圓半徑的和,即可解出m的值.
破解 過程略,答案選C.
5. 與圓有關(guān)的綜合問題
例5 如圖2,為保護(hù)河上古橋OA,規(guī)劃建一座新橋BC,同時(shí)設(shè)立一個(gè)圓形保護(hù)區(qū),規(guī)劃要求:新橋BC與河岸AB垂直,保護(hù)區(qū)的邊界為圓心M在線段OA上并與BC相切的圓,且古橋兩端O和A到該圓上任意一點(diǎn)的距離均不少于80 m. 經(jīng)測量,點(diǎn)A位于點(diǎn)O正北方向60 m處,點(diǎn)C位于點(diǎn)O正東方向170 m處(OC為河岸),tan∠BCO=.
(1)求新橋BC的長:
(2)當(dāng)OM多長時(shí),圓形保護(hù)區(qū)的面積最大?
思索 本題是應(yīng)用題,可以用解析法來解決. 以O(shè)為原點(diǎn),分別以向東、向北為x軸、y建立直角坐標(biāo)系. (1)要求BC的長,就要求得點(diǎn)B的坐標(biāo). 已知tan∠BCO=,說明直線BC的斜率為-,這樣直線BC的方程可立即得出;又AB⊥BC,故直線AB的方程也易得出,兩條直線的交點(diǎn)B的坐標(biāo)隨之而得. (2)本問題的實(shí)質(zhì)就是求圓半徑最大,即求線段OA上某點(diǎn)到直線BC的距離最大. 注意要考慮條件“古橋兩端O和A到該圓上任一點(diǎn)的距離均不少于80 m”.
破解 (1)如圖2,以O(shè)C方向?yàn)閤軸,OA方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系,則可得A(0,60),C(170,0). 由題意,kBC=-,所以直線BC的方程為y= -(x-170);又kAB=-=,所以直線AB的方程為y=x+60. 聯(lián)立兩直線方程y=-(x-170),y=x+60,解得x=80,y=120.即B(80,120). 所以BC=150(m).
(2)設(shè)點(diǎn)M(0,m)(0≤m≤60),點(diǎn)B(80,120),直線BC的方程為y= -(x-170),即4x+3y-680=0,所以半徑R=. 又因?yàn)楣艠騼啥薕和A到該圓上任意一點(diǎn)的距離均不少于80 m,所以R-AM≥80且R-OM≥80,所以有-(60-m)≥80且-m≥80. 所以10≤m≤35. 所以R=≤130,當(dāng)m=10時(shí)圓面積最大. 所以當(dāng)OM=10時(shí)圓形保護(hù)區(qū)面積最大.
變式練習(xí)
1. 如果圓x2+y2-2ax-2ay+2a2-4=0與圓x2+y2=4總相交,則實(shí)數(shù)a的取值范圍是________.
2. 已知直線l過點(diǎn)(-2,0),當(dāng)直線l與圓x2+y2=2x有兩個(gè)交點(diǎn)時(shí),其斜率k的取值范圍是________.
3. (2014年高考浙江卷)已知圓x2+y2+2x-2y+a=0截直線x+y+2=0所得弦的長度為4,則實(shí)數(shù)a的值為( )
A. -2 B. -4 C. -6 D. -8
4. (2014年高考山東卷)圓心在直線x-2y=0上的圓C與y軸的正半軸相切,圓C截x軸所得弦長為2,則圓C的標(biāo)準(zhǔn)方程為________.
5. 如圖3,在平面直角坐標(biāo)系xOy中,已知橢圓E:+=1(a>b>0)的離心率e=,A1,A2分別是橢圓E的左、右兩個(gè)頂點(diǎn);圓A2的半徑為a,過點(diǎn)A1作圓A2的切線,切點(diǎn)為P,在x軸的上方交橢圓E于點(diǎn)Q.
(1)求直線OP的方程;
(2)求的值;
(3)設(shè)a為常數(shù). 過點(diǎn)O作兩條互相垂直的直線,分別交橢圓E于點(diǎn)B,C,分別交圓A2于點(diǎn)M,N,記△OBC和△OMN的面積分別為S1,S2,求S1·S2的最大值.
參考答案