圆的有关性质

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几何圆的性质核心定理进阶

圆的有关性质

从垂径定理到四点共圆,搞懂七个核心定理的证明思路与内在联系

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几何圆的性质核心定理进阶

圆的有关性质

从垂径定理到四点共圆,搞懂七个核心定理的证明思路与内在联系

1第 1 页 · 圆的有关性质

几何对称性分析方法

前面我们用圆心角、弧、弦这些元素刻画圆,但条件一多就容易乱。其实圆最本质的特征是'对称'——抓住对称,往往能把一团乱麻理成一条线。

方法定义
利用图形的对称性,把分散的条件集中或补全,从而简化推理
识别对称要素
找对称轴(过圆心的直线)或对称中心(圆心)
转化与补全
把条件集中到对称轴一侧,或利用对称性构造镜像点
典型应用
弦的中垂线过圆心;等弧对等弦;对称构造辅助圆
折纸对折对应 →对称性分析

沿对称轴折叠两边重合,研究一半即可,另一半自动对应

2第 2 页 · 几何对称性分析方法

上一节我们用对称性方法分析图形,圆是对称性最完美的例子——它有无限多条对称轴。车轮、硬币、拱桥、钟表,圆在生活中无处不在。先回到定义,把圆拆开看。

圆的定义
平面内到定点距离等于定长的所有点的集合
三要素
圆心(定点)、半径(定长)、直径=2倍半径(过圆心最长的弦)
对称性
任意过圆心的直线都是对称轴;绕圆心旋转任何角度都与自身重合
典型应用
车轮滚动平稳、圆拱受力均匀、钟表等分时间
木桩拴绳画圆对应 →圆的定义

木桩是圆心、绳长是半径、人绕一圈的轨迹就是圆

OP=r(O 为圆心,r 为半径,P 为圆上任意一点)|OP| = r\quad\text{(O 为圆心,r 为半径,P 为圆上任意一点)}
3第 3 页 ·

圆心

上一页我们从对称性切入,认识了圆——一种高度对称的曲线。问题来了:圆绕着哪个点旋转都能和自己重合,那个「轴心」到底在哪?这就要请出本节的主角——圆心。

定义
圆上所有点到某定点距离都相等,该定点即为圆心
旋转对称中心
绕圆心旋转任意角度,圆都与自身完全重合
定位作用
圆心唯一确定圆在平面中的位置
距离恒等
圆心到圆上任意一点的距离都等于半径 r
旋转木马的中心立柱对应 →圆心

所有乘客等距绕立柱坐落,立柱不动,整体才能平稳旋转

4第 4 页 · 圆心

半径

上页我们找到了圆心——圆的"靶心"。但光知道靶心,靶有多大还没说。半径就是补上这块信息的关键:从圆心到圆上任意一点的距离。

定义
从圆心到圆上任意一点的线段,记作 r
等长性
同一个圆的所有半径长度都相等
决定大小
半径越大,圆越大;半径决定圆的规模
与直径关系
直径 d = 2r,半径是直径的一半
坐标中定位
圆的标准方程 (x-a)²+(y-b)²=r² 中 r 即半径
自行车辐条对应 →圆的半径

从中心轮毂到边缘轮圈的连杆,每根长度都相同

(xa)2+(yb)2=r2(x-a)^2 + (y-b)^2 = r^2
5第 5 页 · 半径

上页说圆最对称,那对称分析靠什么工具?靠弦。圆周上任取两点拉一条线段——这就是弦,圆里最常出现的'基本元件'。

定义
圆上任意两点的连线段
直径是特殊弦
过圆心的弦,是所有弦中最长的一条
垂径定理
过圆心垂直于弦的直线,必平分这条弦
连心构等腰
圆心与弦两端相连得等腰三角形,是常用思路
吉他上的琴弦对应 →圆中的几何弦

琴弦两端固定在共鸣箱边缘;几何弦两端'锚'在圆周——'弦'就是两端绷紧的线

l=2r2d2l = 2\sqrt{r^{2} - d^{2}}
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直径

从上一页的半径出发:半径是从圆心到圆上一点的线段,长度记作r。如果把两条半径方向相反地摆在同一条直线上,它们首尾相连、两端都落在圆上,组成的新线段就是直径——圆里一条特殊的线。

定义
通过圆心且两端都在圆上的线段叫做直径
与半径的关系
直径等于半径的2倍,长度 d = 2r
最长的弦
在圆的所有弦中,直径最长,长度等于2r
典型应用
直径所对的圆周角是直角(直径角定理)
沿中线对折圆形纸片对应 →直径所在的直线

折痕穿过圆心,两半纸片完全重合,直径所在直线就是圆的对称轴

d=2rd = 2r
7第 7 页 · 直径

弧:定义、要点与典型应用

弧:定义、要点与典型应用
8第 8 页 ·

等圆 与 等弧

前面认识了圆、弦、弧这些基本元素。线段有等线段、角有等角,那圆和弧能不能也谈「相等」?自然可以——这就是等圆与等弧。

等圆
半径相等的两个圆,能完全重合
等弧
能完全重合的两段弧,只在同圆或等圆中讨论
等弧判定
同圆或等圆中,相等的圆心角所对的弧相等
连带相等
等弧所对的弦、圆心角、圆周角也分别相等
两枚同号同版硬币对应 →等圆

半径一致、曲率相同,叠起来严丝合缝,没有错位

9第 9 页 · 等圆 与 等弧

圆的轴对称性

前面我们学了用对称性分析几何图形。三角形、等腰梯形只有一两条对称轴,但圆不一样——任何一条过圆心的直线,都能把圆对折成完全重合的两半。这就是圆的轴对称性。

定义
过圆心的每一条直线都是圆的对称轴;反过来说,圆的对称轴一定过圆心
对称轴有无数条
只要直线过圆心就成立,因此圆有无穷多条对称轴
翻折后等量关系
沿对称轴翻折后,对应弧相等、对应弦相等、对应圆周角相等
典型应用:翻折法
把分散的弦或弧沿对称轴翻折到同一侧,构造全等三角形求长度
圆形纸盘任意方向对折对应 →圆的对称轴过圆心且无数条

纸盘只要沿过圆心的线折都能重合,对应到圆上,每条过圆心的直线都是对称轴

10第 10 页 · 圆的轴对称性

垂径定理

上一节我们刚说,圆是轴对称图形,每条直径都是一条对称轴。如果一条直径刚好'压'过弦的中点,弦的两半会沿这条轴线完全重合——这正是垂径定理的几何本质。

定理表述
垂直于弦的直径平分弦,且平分弦所对的两条弧
二条件三结论
条件:①是直径 ②垂直于弦;结论:平分弦、平分优弧、平分劣弧
推论
平分弦(不是直径)的直径垂直于弦——反过来也成立
典型应用
作弦心距连半径,构造直角三角形后用勾股定理
沿直径把圆对折对应 →垂径定理

弦要对齐重合,必须中点在折痕上、且与折痕垂直

d2+(l2)2=r2d^2 + \left(\dfrac{l}{2}\right)^2 = r^2
11第 11 页 · 垂径定理

圆心角

钟表的指针围绕固定轴转动,两个时刻的方向会形成一个角。沿用上页从圆心和半径观察图形的方法:若转动轴落在圆心,就得到一个能联系弧与弦的关键角——圆心角。

顶点判定
角的顶点必须是圆心 O
边的构成
两条边分别从圆心指向圆上一点,因此都是半径
标准记号
∠AOB 的顶点是 O,写角时顶点字母通常居中
核心对应
同圆或等圆中,相等圆心角所对的弧相等,所对的弦相等;逆命题也成立
典型用途
把圆周上的弧、弦问题,转化为圆心处的角或等腰三角形问题
钟表指针的转动对应 →圆心角

表轴对应圆心,指针对应半径,转过的夹角就是圆心角

12第 12 页 · 圆心角

圆周角

你刚掌握圆心角——顶点固定在圆心。现在把顶点挪到圆周上,角的两边分别再交圆于两点——这就是圆周角。同样一段弧,圆心看去与圆周看去,张角不同;这两个角之间有一条简洁到令人惊讶的关系。

定义
顶点在圆周上,两边各再交圆于一点(共三点均在圆上)
核心定理
同弧所对的圆周角等于其所对圆心角的一半
等角推论
同弧所对的圆周角都相等(与顶点位置无关)
直径推论
直径所对的圆周角是直角
逆判定
圆周角为直角时,其所对的弦必为直径
舞台探照灯对应 →圆心角与圆周角关系

圆心是灯塔尖,灯柱扫过扇形——塔尖处张角是圆心角,圆周上观众仰视灯柱的仰角是圆周角,恒为一半

$$\angle BAC=\tfrac{1}{2}\angle BOC\ (\text{同弧}BC),\quad\angle BAC=90°\Leftrightarrow BC\text{ 为直径}$$
13第 13 页 · 圆周角

圆周角定理

上页的圆心角,顶点在圆心。但更多时候我们是站在圆周上看同一段弧——从圆心看和从圆周看,张角有什么关系?这就是圆周角定理要回答的问题。

圆周角定义
顶点在圆周上,两边都与圆相交,所夹的角
核心结论
同弧所对的圆周角等于该弧所对圆心角的一半
推论一
同一条弧所对的圆周角都彼此相等
推论二
直径(半圆)所对的圆周角必为直角
广场中心和边缘看雕像对应 →圆心角与圆周角

中心看完整张角,边缘看只剩一半

圆周角=12圆心角(同弧所对)\angle 圆周角 = \tfrac{1}{2}\angle 圆心角 \quad (\text{同弧所对})
14第 14 页 · 圆周角定理

圆内接四边形

上页学了圆周角定理——顶点在圆上的角等于所对弧的一半。如果把四个顶点全部钉在同一个圆上组成四边形,会冒出什么新性质?

定义
四个顶点全部落在同一个圆上的四边形
对角互补
相对的两个内角之和等于 180°
本质原因
两对角各抓一段弧,两段弧合起来刚好是整圆 360°
外角等于内对角
一个角的外角等于与它不相邻的那个内角
两人把披萨瓜分干净对应 →对角互补的来由

∠A 抓半圈弧、∠C 抓剩下半圈;两段相加 = 360°,各取一半 = 180°

A+C=180°,B+D=180°\angle A + \angle C = 180°,\quad \angle B + \angle D = 180°
15第 15 页 · 圆内接四边形

圆内接四边形对角互补

上页我们用圆周角定理算出了同弧上的角。现在升级一下:在圆上任取四点依次相连,就得到圆内接四边形——它的对角会有什么规律?

对角互补
圆内接四边形的两组对角之和都等于 180°,即 ∠A+∠C=180° 且 ∠B+∠D=180°
推理依据
一组对角各看一条弧,两条弧合起来恰是整个圆周 360°,由圆周角定理立得
逆定理也成立
若一个四边形对角互补,则它的四个顶点共圆——这是判定共圆的重要工具
典型应用
证明四点共圆、求未知角,常与圆周角定理配合使用
分坐一桌的两个人对应 →对角互补

各看对面那条弧,两条弧拼成整圆 360°,视角各分一半就和为 180°

A+C=180°,B+D=180°\angle A + \angle C = 180°,\quad \angle B + \angle D = 180°
16第 16 页 · 圆内接四边形对角互补

本节要点

  • 对称性是圆的灵魂,所有定理的根
  • 圆周角是圆心角的一半,核心比例关系
  • 等弧⇔等弦⇔等圆周角,等价链贯穿
  • 圆内接四边形对角互补,是推论不是独立定理
  • 直径所对的圆周角必为直角
延伸主题:切线与弦切角圆幂定理四点共圆的判定
17第 17 页 · 本节要点

课后思考

先自己琢磨每个问题,再看参考答案——重点不是答案本身,而是你的思路走到了哪一步。

1同一条弧所对的圆周角,为什么恰好等于对应圆心角的一半?能否用「特殊→一般」的思路证明它?

参考答案抓住两个特殊情形搭桥:① 顶点落到圆心,圆周角 = 圆心角;② 顶点在圆上且一边过圆心(直径),圆周角 = 90°。再借助等腰三角形的外角,把一般情形拆成这两种情形相加,即可完成证明。

2圆内接四边形 ABCD 中,若 ∠A = 70°,仅凭这一条件,∠B、∠C、∠D 能唯一确定吗?为什么?

参考答案只能直接定 ∠C = 110°(对角互补)。∠B、∠D 各自还有自由度(如 ∠B + ∠D = 250°),需再添条件(如某对角线为直径、某对角线平分一角)才能唯一确定。

3圆周角定理要求顶点在圆上。若顶点移到圆的内部或外部,角与所对弧的关系还成立吗?怎么变?

参考答案顶点移到圆内:所夹角 = (两弧之和) ÷ 2;移到圆外:所夹角 = (两弧之差) ÷ 2。证法提示:作辅助线把顶点和两交点连成三角形,再把顶角「拉回」圆上用圆周角定理即可。

18第 18 页 · 课后思考