423-直线与圆的方程的应用.docx

直线与圆的方程的应用整体设计教学分析直线与圆的方程在生产、生活实践以及数学中有着广泛的应用.本小节设置了一些例题,分别说明直线与圆的方程在实际生活中的应用,以及用坐标法研究几何问题的根本思想及其解题过程.三维目标(1)理解直线与圆的位置关系的几何性质；(2)利用平面直角坐标系解决直线与圆的位置关系；用坐标法解决几何问题的步骤：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元素,将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：将代数运算结果“翻译成几何结论.(3)会用“数形结合的数学思想解决问题.让学生通过观察图形,理解并掌握直线与圆的方程的应用,培养学生分析问题与解决问题的能力.重点难点教学重点：求圆的应用性问题.教学难点:直线与圆的方程的应用.课时安排1课时教学过程导入新课思路1.如图1,某城市中的高空观览车的高度是100 m,图1在离观览车约150 m处有一建筑物,某人在离建筑物100 m的地方刚好可以看到观览车,你根据上述数据,如何求出该建筑物的高度要解决这个问题,我们继续研究直线与圆的方程的应用,教师板书课题:直线与圆的方程的应用.思路2.同学们,前面我们学习了圆的方程、直线与圆的位置关系、圆和圆的位置关系,那么如何利用这些关系来解决一些问题,怎样解决 带着这些问题我们学习直线与圆的方程的应用.教师板书课题:直线与圆的方程的应用.推进新课新知探究提出问题你能说出直线与圆的位置关系吗解决直线与圆的位置关系,你将采用什么方法阅读并思考教科书上的例4,你将选择什么方法解决例4的问题你能分析一下确定一个圆的方程的要点吗你能利用“坐标法解决例5吗活动：学生回忆,教师引导,教师提问,学生答复,学生之间可以相互交流讨论,学生有困难教师点拨.教师引导学生考虑解决问题的思路,要全面考虑,发散思维.学生回忆学习的直线与圆的位置关系的种类；解决直线与圆的位置关系,可以采取两种方法；首先考虑问题的实际意义,如果此题出在初中,我们没有考虑的余地,只有几何法,在这里当然可以考虑用坐标法,两种方法比较可知哪个简单；回忆圆的定义可知确定一个圆的方程的条件；利用“坐标法解决问题的关键是建立适当的坐标系,再利用代数与几何元素的相互转化得到结论.讨论结果：直线与圆的位置关系有三类:相交、相切、相离.解决直线与圆的位置关系,将采用代数和几何两种方法,多数情况下采用圆心到直线的距离与半径的关系来解决.阅读并思考教科书上的例4,先用代数方法及坐标法,再用几何法,作一比较.你能分析一下确定一个圆的方程的要点,圆心坐标和半径,有时关于D、E、F的三个独立的条件也可.建立适当的坐标系,具体解法我们在例题中展开.应用例如思路1例1 讲解课本4.2节例4,解法一见课本.图2解法二：如图2,过P2作P2HOP.由,|OP|=4,|OA|=10.在RtAOC中,有|CA|2=|CO|2+|OA|2设拱圆所在的圆的半径为r,那么有r2=(r-4)2+102.解得r=14.5.在RtCP2H中,有|CP2|2=|CH|2+|P2H|2.因为|P2H|=|OA2|=2,于是有|CH|2=r2-|OA2|2=14.52-4=206.25.又|OC|=14.5-4=10.5,于是有|OH|=|CH|-|CO|=-10.514.36-10.5=3.86.所以支柱A2P2的长度约为3.86 cm.点评：通过课本解法我们总结利用坐标法解决几何问题的步骤是：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元素,将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：将代数运算结果“翻译成几何结论.把两种解法比较可以看出坐标法通俗易懂,几何法较难想,繁琐,因此解题时要有所选择.变式训练 圆内接四边形的对角线互相垂直,求证：圆心到一边的距离等于这条边所对边长的一半.图3解:如图3,以四边形ABCD互相垂直的对角线CA、DB所在直线分别为x轴、y轴,建立适当的平面直角坐标系,设A(a,0),B(0,b),C(c,0),D(0,d).过四边形ABCD的外接圆的圆心O1分别作AC、BD、AD的垂线,垂足分别为M、N、E,那么M、N、E分别为线段AC、BD、AD的中点,由线段的中点坐标公式,得=xm=,=yn=,xE=,yE=.所以|O1E|=.又|BC|=,所以|O1E|=|BC|.点评:用坐标法解决几何问题时,先用坐标和方程表示相应的几何元素、点、直线、圆.将几何问题转化为代数问题,然后通过代数运算解决代数问题,最后解释代数运算结果的几何意义,得到几何问题的结论.例2 有一种大型商品,A、B两地都有出售,且价格相同,某地居民从两地之一购得商品后回运的运费是：每单位距离A地的运费是B地运费的3倍,A、B两地相距10 km,居民选择A或B地购置这种商品的标准是：包括运费和价格的总费用较低.求A、B两地的售货区域的分界线的曲线形状,并指出曲线上、曲线内、曲线外的居民应如何选择购货地点.活动：学生先审题,然后思考或讨论,学生有困难教师可以提示引导,建立适当的坐标系,这里以AB所在直线为x轴,线段AB的中点为原点建立直角坐标系较简单,假设一点距A地近,且费用低,列方程或不等式.解:以AB所在直线为x轴,线段AB的中点为原点建立直角坐标系,那么A(5,0),B(5,0).设某地P的坐标为(x,y),且P地居民选择A地购置商品的费用较低,并设A地的运费为3a元/km,那么B地运费为a元/km.由于P地居民购置商品的总费用满足条件：价格+A地运费价格+B地运费,即3aa,整理得(x+)2+y2()2.所以以点C(-,0)为圆心,为半径的圆就是两地居民购货的分界线.圆内的居民从A地购货费用较低,圆外的居民从B地购货费用较低,圆上的居民从A、B两地购货的总费用相等,因此可以随意从A、B两地之一购货.思路2例1 求通过直线2x-y+3=0与圆x2+y2+2x-4y+1=0的交点,且面积最小的圆的方程.活动:学生思考或交流,教师提示引导,求圆的方程无非有两种方法:代数法和几何法.解法一:利用过两曲线交点的曲线系,设圆的方程为x2+y2+2x-4y+1+(2x-y+3)=0,配方得标准式(x+1+)2+(y-2-)2=(1+)2+(2+)2-3-1,r2=2+4=(+)2+,当=-时,半径r=最小.所求面积最小的圆的方程为5x2+5y2+6x-18y-1=0.解法二:利用平面几何知识,以直线与圆的交点A(x1,y1),B(x2,y2)连线为直径的圆符合要求.由消去y,得5x2+6x-2=0.判别式0,AB中点横坐标x0=-,纵坐标y0=2x0+3=,即圆心O(-,).又半径r=|x1-x2|·=,所求面积最小的圆的方程是(x+)2+(y-)2=.点评:要熟练地进行圆的一般式与标准式之间的互化,这里配方法十分重要,方法二用到求弦长的公式|AB|=|x1-x2|·对于圆的弦长,还可以利用勾股定理求得,即|AB|=,其中r为圆半径,d为圆心到弦的距离.变式训练 设圆满足截y轴所得弦长为2,被x轴分成两段弧,弧长之比为31,在满足条件的所有圆中,求圆心到直线l:x-2y=0的距离最小的圆的方程.图4解:关键确定圆心坐标和半径.如图4.设圆心A(a,b),那么半径r=|b|.由截y轴的弦长为2,知a2+1=r2=2b2,又圆心A到l的距离d=|a-2b|,5d2=a2+4b2-4aba2+4b2-2(a2+b2)=2b2-a2=1,当且仅当a=b时等号成立.这里由解得圆的方程为(x-1)2+(y-1)2=2或(x+1)2+(y+1)2=2.例2 x,y是实数,且x2+y2-4x-6y+12=0,求(1)的最值;(2)x2+y2的最值;(3)x+y的最值;(4)x-y的最值.活动：学生思考或交流,教师引导,数形结合,将代数式或方程赋予几何意义.解:(x-2)2+(y-3)2=1表示以点C(2,3)为圆心,1为半径的圆.(1)表示圆C上的点P(x,y)与坐标原点O(0,0)连线的斜率k,故当y=kx为圆C的切线时,k得最值.=1,k=2±.的最大值为2+,最小值为2-.(2)设x2+y2表示圆C上的点P(x,y)与坐标原点O(0,0)连结的线段长的平方,故由平面几何知识,知当P为直线OC与圆C的两交点P1、P2时,OP12与OP22分别为OP2的最大值、最小值.x2+y2的最大值为(+1)2=14+2,最小值为(-1)2=14-2.(3)令x+y=m,当直线l:x+y=m与圆C相切时,l在y轴上截距m取得最值.=1,m=5±.x+y的最大值为5+,最小值为5-.(4)令x-y=n,当直线l:x-y=n与圆C相切时,l在y轴上截距的相反数n取得最值.=1,n=-1±.x-y的最大值为-1+,最小值为-1-.点评:从“数中认识“形,从“形中认识“数,数形结合相互转化是数学思维的根本方法之一.“数学是一个有机的统一体,它的生命力的一个必要条件是所有的各个局部不可别离地结合.(希尔伯特)数形结合的思维能力不仅是中学生的数学能力、数学素养的主要标志之一,而且也是学习高等数学和现代数学的根本能力.此题是利用直线和圆的知识求最值的典型题目.例3 圆O的方程为x2+y2=9,求过点A(1,2)所作的弦的中点的轨迹.活动：学生回想求轨迹方程的方法与步骤,思考讨论,教师适时点拨提示,此题可利用平面几何的知识.解法一:参数法(常规方法)设过A的弦所在的直线方程为y-2=k(x-1)(k存在时),P(x,y),那么消y,得(1+k2)x2+2k(2-k)x+k2-4k-5=0.x1+x2=.利用中点坐标公式及中点在直线上,得(k为参数).消去k得P点的轨迹方程为x2+y2-x-2y=0,当k不存在时,中点P(1,0)的坐标也适合方程.P的轨迹是以点(,1)为圆心,为半径的圆.解法二:代点法(涉及中点问题可考虑此法)设过点A的弦MN,M(x1,y1),N(x2,y2).M、N在圆O上,.相减得(x1+x2)+·(y1+y2)=0(x1x2).设P(x,y),那么x=,y=.M、N、P、A四点共线, =(x1).2x+·2y=0.中点P的轨迹方程是x2+y2-x-2y=0(x=1时亦正确).点P的轨迹是以点(,1)为圆心,为半径的圆.解法三:数形结合(利用平面几何知识)由垂径定理知OPPA,故P点的轨迹是以AO为直径的圆.(下略)点评:此题涉及求轨迹方程的三种间接方法.思路一,代表了解析几何的根本思路和根本方法,即消y(或x)得关于x(或y)的一元二次方程Ax2+Bx+C=0,再利用求根公式、判别式、韦达定理等得解.思路二,又叫平方差法,要求弦的中点的轨迹方程时,用此法比较简便.根本思路是利用弦的两个端点M(x1,y1)、N(x2,y2)在曲线上,将点的坐标代入方程然后相减,利用平方差公式可得x1+x2、y1+y2、x1-x2、y1-y2等.再由弦MN的中点P(x,y)的坐标满足x=,y=,以及直线MN的斜率k=(x1x2)等,设法消去x1、x2、y1、y2,即可得弦MN的中点P的轨迹方程.用此法对斜率不存在的情况,要单独讨论.思路三,数形结合,利用平面几何知识等,有时能使求解过程变得非常简洁.学好解析几何,要掌握特点,注意四个结合:数形结合:形不离数,数不离形,依形判断,就数论形;动静结合:动中有静,静中有动,几何条件曲线方程图形性质;特殊与一般结合:一般性寓于特殊性之中,特殊化与一般化是重要的数学思维方法;理论与实际结合:学以致用,创造开拓.知能训练课本本节练习1、2、3、4.拓展提升某种体育比赛的规那么是:进攻队员与防守队员均在平安线l的垂线AC上(C为垂足),且距C分别为2a和a(a0)的点A和B,进攻队员沿直线AD向平安线跑动,防守队员沿直线方向向前拦截,设AD和BM交于M,假设在M点,防守队员比进攻队员先到或同时到,那么进攻队员失败,进攻队员的速度是防守队员速度的两倍,且他们双方速度不变,问进攻队员的路线AD应为什么方向才能取胜 图5解:如图5,以l为x轴,C为原点建立直角坐标系,设防守队员速度为v,那么进攻队员速度为2v,设点M坐标为(x,y),进攻队员与防守队员跑到点M所需时间分别为t1=,t2=.假设t1t2,那么|AM|2|BM|,即.整理,得x2+(y-a)2(a)2,这说明点M应在圆E:x2+(y-a)2=(a)2以外,进攻队员方能取胜.设AN为圆E的切线,N为切点,在RtAEN中,容易求出EAN=30°,所以进攻队员的路线AD与AC所成角大于30°即可.课堂小结1.用坐标法解决几何问题的步骤：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元素,将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：将代数运算结果“翻译成几何结论.2.对于直线和圆,熟记各种定义、根本公式、法那么固然重要,但要做到迅速、准确地解题,还必须掌握一些方法和技巧.常用的有：(1)利用可再化简、对称、直交、平行等特点适当地选择坐标系；(2)善于根据图形的条件和论证的目标,恰当地使用曲线的方程；(3)掌握直线和圆的根本定义、根本概念、根本性质,有效运用它们来解题；(4)注意“平几知识在简洁、直观表达问题中的作用；(5)借助数形结合进行等价转化,减少思维量、运算量；(6)灵活使用曲线系方程,方便快捷地解题；(7)根据背景的特点,巧用字母的替换法那么；(8)充分运用韦达定理进行转化与化归；(9)留心引参消参、设而不求等在优化解题思路方面上的作用.3.直线和圆在现实生活中有着十分广泛的应用,主要包括两大块：一是直线与圆的直接应用,它涉及到质量、重心、气象预报、购物选址、光的折射、直线型经验公式的选用等问题,这局部涉及的知识内容比较简单,要熟练掌握直线和圆的方程形式；可以使我们更好地了解近代数学的开展,从而有利于学生应用数学意识的培养.