点和圆、直线和圆的位置关系

官方数学老师·13 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
位置关系圆的性质几何判定图解原理

点和圆、直线和圆的位置关

3张图讲透相离、相切与相交,几何判定彻底看懂不用背

按 空格/→ 演示下一步

1 / 13 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

位置关系圆的性质几何判定图解原理

点和圆、直线和圆的位置关

3张图讲透相离、相切与相交,几何判定彻底看懂不用背

1第 1 页 · 点和圆、直线和圆的位置关

反证法

前页我们用 d 与 r 判断点和圆的位置关系。那反过来——要证明某条直线恰好和圆相切,直接证可能麻烦。不如先'假装它不是切线',看能推出什么。

核心思路
假设结论的反面成立,推出矛盾,从而否定假设,得出原结论成立
三步骤
反设(假设反面成立)→ 归谬(推出矛盾)→ 结论(反设错,原命题对)
几何适用场景
证直线与圆相切、点在圆外/内、某线段是直径等
矛盾的来源
已知条件、定义、公理或已证定理——必须是确定无疑的事实
破案先锁定嫌疑人对应 →反证法的反设与归谬

先假设他作案(反设),找到不在场铁证(归谬矛盾),假设崩塌,嫌疑人被排除

2第 2 页 · 反证法

点和圆的位置关系

你站在喷泉旁看水柱落下——水花砸点离喷泉中心有远有近,有的恰好砸在池沿上,有的落入池中溅湿鞋,有的落在池外干地上。点和圆的位置关系,本质就是拿「距离」去和「半径」比大小。

三种位置关系
点在圆上、点在圆内、点在圆外,无第四种可能
判断标准
用 d 表示点到圆心的距离:d=r 在圆上,d<r 在圆内,d>r 在圆外
典型应用
已知圆心和坐标点,可判断点落在哪;反之可由位置反推半径范围
靶心与飞镖对应 →圆与点的位置

镖中靶环=d=r;扎入红区=d<r;脱靶落到墙上=d>r,三种情况一一对应

{d=r点在圆上d<r点在圆内d>r点在圆外\begin{cases} d = r & \text{点在圆上} \\ d < r & \text{点在圆内} \\ d > r & \text{点在圆外} \end{cases}
3第 3 页 · 点和圆的位置关系

直线和圆的位置关系

上页用'点到圆心距离 vs 半径'判定点和圆的位置。现在把一个点换成一条直线——比如一段公路慢慢靠近一个圆形环岛,会依次发生什么?

三种位置关系
相离(无交点)、相切(1 个交点)、相交(2 个交点)
判断标准
比较圆心到直线的距离 d 与半径 r 的大小
相切的特殊性质
此时直线叫切线;切点与圆心连线必垂直于切线
汽车靠近环岛对应 →直线和圆的位置关系

远处未碰到=相离;刚切到边缘=相切;已穿入穿出=相交

d{>r,相离=r,相切=r,相交d\begin{cases}>r,&\text{相离}\\=r,&\text{相切}\\=r,&\text{相交}\end{cases}
4第 4 页 · 直线和圆的位置关系

圆的切线

上一页讲到直线和圆有三种位置——相离、相切、相交。其中最特殊的是「相切」:直线刚好擦过圆,只碰一个点。这条与圆只交于一点的直线,就是圆的切线。

定义
与圆只有一个公共点的直线叫圆的切线
切点
切线与圆唯一的那一个公共点
性质
切线垂直于过切点的半径
判定
直线到圆心距离等于半径时,该直线是切线
篮球静止停在地面上对应 →切线与圆相切

球只在一个点接触地面,切线也只在一个点接触圆——这就是「切」的含义

d=rOMld = r \quad\text{且}\quad OM \perp l
5第 5 页 · 圆的切线

切线的判定定理

上页说切线是只与圆交一点的直线。但'只有一个交点'在解题时并不好直接用——有没有更顺手的方法?

判定定理
过圆上一点作直线,若垂直于该点的半径,则该直线是圆的切线
两个条件
①直线过圆上的点 ②该直线垂直于此点的半径,缺一不可
证明逻辑
由垂直推出圆心到直线距离 d=r,再由 d=r 得只有一个交点
典型应用
证切线先找公共点,再证该点半径与直线垂直——这是常见套路
旗杆垂直立于地面对应 →切线垂直于半径

旗杆底只触地面一点,因垂直于地面半径;切线同理只触圆一点

6第 6 页 · 切线的判定定理

切线的性质定理

上页我们学会了怎么"认出"切线——用 d=r 或垂直判定。那一旦确认某条直线就是切线,又能推出什么?这就是切线性质定理要回答的问题。

定理内容
圆的切线垂直于过切点的半径
三要素缺一不可
切点、半径、切线必须同时出现,否则定理不成立
几何语言表达
设切点A、圆心O,则 OA⊥l(A为切点、l为切线)
逆定理
过半径外端且垂直于该半径的直线,必为圆的切线
典型应用
证明两线垂直、求切线段长、构造辅助线
球静止放在水平桌面对应 →切线⊥过切点的半径

球与桌面只切于一点,过该点的半径方向正好与桌面垂直

7第 7 页 · 切线的性质定理

切线长定理

上页我们学了「切线垂直于过切点的半径」。顺着这条性质再走一步,就能回答一个经典问题:圆外一点 P 向圆作两条切线 PA、PB,为什么 PA = PB?

切线长定义
从圆外一点 P 到切点的线段长度叫做切线长
切线长定理
从圆外一点向圆引两条切线,两切线长相等(PA = PB)
证明思路
连 OP、OA、OB;OA=OB(半径)、OP 共用、∠OAP=∠OBP=90°,HL 证 △OAP≌△OBP
关键前提
「圆外」不可省;点在圆上只有一条切线,点在圆内作不出切线
典型应用
证线段相等;切线长、半径、圆心距构成直角三角形,可联立勾股
等腰三角形的两腰对应 →两条切线长

O、P 都在对称轴上,A、B 关于 OP 对称——两腰等长,两切线也等长

PA=PB=OP2r2PA = PB = \sqrt{OP^{2} - r^{2}}
8第 8 页 · 切线长定理

三角形的外接圆与外心

切线长定理说:圆外一点到圆的两条切线等长。那换个角度想——如果给我三个点,能不能找到唯一的圆,把这三个点都'罩'住?

外接圆
经过三角形三个顶点的圆(若存在)
外心
外接圆的圆心,是三边垂直平分线的交点
位置规律
锐角在内部、直角在斜边中点、钝角在外部
三家住户合用的快递站对应 →外心到三顶点等距

快递站要选在到三家距离相同的位置才公平

R=a2sinA=abc4SR = \dfrac{a}{2\sin A} = \dfrac{abc}{4S}
9第 9 页 · 三角形的外接圆与外心

三角形的内切圆与内心

前页的外接圆要求经过三个顶点。现在反过来:让一个圆不经过顶点,而与三边逐一相切——这就是内切圆问题。

内切圆
位于三角形内部,并与三条边都相切的圆
内心位置
三条内角平分线的交点,在三角形内部
等距判定
内心到三边所在直线的距离相等
唯一性
到三边距离相等的内部点只有内心,故内切圆唯一
面积应用
令半周长 s=(a+b+c)/2,由 S=rs 求 r 或圆面积
方框内最大的圆对应 →三角形的内切圆

边数不同,但都要求与每条边相切并完整留在区域内

S=rs=12(a+b+c)r,r=2Sa+b+cS=rs=\frac{1}{2}(a+b+c)r,\quad r=\frac{2S}{a+b+c}
10第 10 页 · 三角形的内切圆与内心

圆和圆的位置关系

研究直线和圆时,我们看圆心到直线的距离 d 和半径 R 的关系。两个圆的判断路径完全一样——只是把『一条直线』换成『另一个圆的圆心』,半径一侧从 R 变成了 R+r 或 |R-r|。

外离
d>R+r,两圆无公共点,共 4 条公切线
外切
d=R+r,两圆外切于一点,共 3 条公切线
相交
|R-r|<d<R+r,两圆交两点,共 2 条公切线
内切
d=|R-r|,内切于一点,共 1 条公切线
内含
d<|R-r|,一圆包另一圆,无公切线
桌面上两枚硬币对应 →圆和圆的位置关系

硬币圆心距 d 与两半径之和、之差作比较,五种关系从远到近连续过渡

11第 11 页 · 圆和圆的位置关系

本节要点

  • 距离d是统一所有位置关系的核心判据
  • 切线:判定看d=r,性质看垂直
  • 圆外一点两切线等长,连心线平分夹角
  • 两圆位置:比较d与R±r即可定五种
  • 反证法是几何论证的迂回战术:设反→推矛→得结论
延伸主题:弦切角与圆周角圆幂定理弧长与扇形面积
12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先合上书,花两分钟认真想这三个问题,再看参考答案。参考答案只是思考路径,不是唯一答案。

1点到圆心的距离 d 和圆的半径 r 怎么决定点在圆内、圆上还是圆外?反过来,已知点在哪里,能推出什么?

参考答案比较 d 与 r:d<r 在圆内,d=r 在圆上,d>r 在圆外。反过来,由点的位置可确定 d 与 r 的不等关系——这是后续判定直线与圆位置关系的逻辑起点。

2直线与圆相切时,切点与圆心的连线有什么特殊性质?从圆外一点画两条切线,为何切线长相等?用所学定理解释。

参考答案切点与圆心连线垂直于切线(切线性质定理)。两条切线长相等:可用切线长定理直接得出,或因两直角三角形斜边(圆心到该点距离)公共、直角边(半径)相等,HL 全等。

3点和圆有三种位置关系,直线和圆也有三种。这两种分类背后的共同本质是什么?为什么恰好是三种?

参考答案本质都是用'距离与半径的比较'分类。点用一个距离 d 判定,直线用圆心到直线的距离 d 判定,统一归结为 d 与 r 的三种大小关系——体现了用量化距离刻画几何位置的思想。

13第 13 页 · 课后思考
点和圆、直线和圆的位置关系 · 知识图解