第二课时 直线与圆的方程的实际应用
课标要求
1.在平面直角坐标系中,探索直线与圆的方程的实际应用(数学抽象). 2.能用直线与圆的方程解决实际问题,体会坐标法在解题中的应用(数学建模).
知识点一|圆的方程的实际应用
问题1 初中时,我们多用综合法研究几何问题,它有什么特点?现在我们给圆建立了方程,那么还可以用什么方法?
提示:运用综合法有时需添加辅助线,侧重于解题技巧,同时对运算能力也有要求,往往计算复杂.还可以用坐标法.
【知识梳理】
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含义,得到几何问题的结论.这就是用坐标法解决平面几何问题的“三步曲”:
提醒:建立不同的平面直角坐标系,对解决问题有着直接的影响.因此,建立直角坐标系,应使所给图形尽量对称,所需的几何元素的坐标或方程尽量简单.
【例1】(链接教材P93例3)一座圆拱桥,当水面在如图所示的位置时,拱顶离水面2米,水面宽12米,当水面下降2米后,水面宽是( )
A.13米 B.14米
C.15米 D.16米
解析:D 建立如图所示的平面直角坐标系,则A(-6,-2),B(6,-2),设圆的方程为x2+(y+m)2=m2(m>0),将A点坐标代入圆的方程,则有m=10,故圆的方程为x2+(y+10)2=100,令y=-4,则x=±8,故|EF|=16(米).
【规律方法】
解决与圆有关的应用题的方法步骤
(1)建坐标系:充分利用线段及其垂直平分线,建立平面直角坐标系;
(2)求出方程:根据几何性质,确定圆心与半径,求圆的标准方程;
(3)计算求值:利用圆的方程,确定点的坐标,转化为实际问题的解.
训练1 河道上有一座圆拱桥,在正常水位时,拱圈内部最高点距水面9 m,拱圈内部水面宽22 m.一条船在水面以上部分高6.5 m,船顶部宽4 m,可以通行无阻,近日水位暴涨了2.7 m,为此必须加重船载,降低船身,才能使船通过桥洞,则船身应该降低0.38m.(精确到0.01)
解析:以正常水位时河道中央为原点O,建立平面直角坐标系,如图所示.易知拱桥所在圆过点(11,0),(-11,0),(0,9),设拱桥所在圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0).故解得故拱桥所在圆的方程是x2+y2+y-121=0.当x=2时,可得y≈8.82.故当水位暴涨2.7 m后,船身应该降低6.5+2.7-8.82=0.38(m).故船身应降低0.38 m,才能通过桥洞.
知识点二|直线与圆的方程的实际应用
问题2 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?
提示:向量法是将点、线、面等几何要素用向量表示,通过向量运算将结果“翻译”成相应结论,为几何问题的解决带来极大便利性.坐标法与它类似,也是将几何问题“代数化”,通过计算使繁杂的问题得到解决.
【例2】(链接教材P94例4)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45°方向距O岛40千米处,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的方程;
解:由题意,得A(40,40),B(20,0),设过O,A,B三点的圆C的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
则
解得
∴圆C的方程为x2+y2-20x-60y=0.
(2)若圆C区域内有未知暗礁,现有一船D在O岛的南偏西30°方向距O岛40千米处,正沿着北偏东45°方向行驶,若不改变方向,试问该船有没有触礁的危险?
解:该船初始位置为点D,
则D(-20,-20),
且该船航线所在直线l的斜率为1,
故该船航行方向为直线l:x-y+20-20=0,
由(1)得圆C的圆心为C(10,30),半径r=10,
由于圆心C到直线l的距离d==10<10,
故该船有触礁的危险.
【规律方法】
直线与圆的方程实际应用的步骤
训练2 某考点配备的信号检测设备的监测范围是半径为100米的圆形区域,一名工作人员持手机以每分钟50米的速度从设备正东方向50米的A处出发,沿西北方向走向位于设备正北方向的B处,则这名工作人员被持续监测的时长为( )
A.1分钟 B.分钟
C.2分钟 D.分钟
解析:C 以设备的位置为坐标原点O,其正东方向为x轴正方向,正北方向为y轴正方向建立平面直角坐标系Oxy,如图所示, 则A(50,0),B(0,50),可得lAB:x+y=50,圆O:x2+y2=10 000.记从N处开始被监测,到M处监测结束,因为O到lAB的距离为|OO'|==50(米),所以|MN|=2=100(米),故监测时长为=2(分钟).
1.如图是一个圆曲隧道的截面,若路面AB宽为10米,净高CD为7米,则此隧道圆的半径是( )
A.5米 B.米
C.米 D.7米
解析:B ∵OD⊥AB,∴AD=DB=AB=×10=5米,在Rt△OAD中,设半径OA=R,则OD=CD-R=7-R,∴OA2=OD2+AD2,即R2=(7-R)2+52,解得R=.∴此隧道圆的半径OA是米,故选B.
2.一辆货车宽2米,要经过一个半径为米的半圆形隧道,则这辆货车的车顶(平顶)距离地面的高度不得超过( )
A.2米 B.2.4米
C.3米 D.3.6米
解析:C 以半圆直径所在直线为x轴,过圆心且与x轴垂直的直线为y轴,建立如图所示的坐标系.由半圆的半径为可知,半圆所在圆的方程为x2+y2=10.由图可知,当货车恰好在隧道中间经过时车顶可达到最高.此时x=1或x=-1,代入x2+y2=10,得y=3(负值舍去).
3.如图,已知一艘停在海面上的海监船O上配有雷达,其监测范围是半径为25 km的圆形区域,一艘轮船从位于海监船正东40 km的A处出发,径直驶向位于海监船正北30 km的B处岛屿,速度为28 km/h.问这艘轮船被海盗船监测多长时间?
解:如图,以O为坐标原点,东西方向为x轴,南北方向为y轴建立平面直角坐标系,则A(40,0),B(0,30),圆O的方程为x2+y2=252,直线AB的方程为+=1,即3x+4y-120=0,设点O到AB的距离为d,
则d==24<25,
所以轮船能被海监船检测到,设监测时间为t,则t==0.5(小时),
所以这艘轮船被海监船监测0.5小时.
课堂小结
1.理清单 (1)圆的方程的实际应用; (2)直线与圆的方程的实际应用. 2.应体会 解决直线与圆的实际问题,通常利用数形结合思想,建立数学模型解决问题. 3.避易错 不能正确进行数学建模.
1.一涵洞的横截面是半径为5 m的半圆,建立如图所示的直角坐标系,则该半圆的方程是( )
A.x2+y2=25
B.x2+y2=25(y≥0)
C.(x+5)2+y2=25(y≤0)
D.x2+y2=25(y≤0)
解析:B 在给定的坐标系中,上半圆方程中满足y≥0,故选B.
2.如图,圆弧形拱桥的跨度|AB|=12米,拱高|CD|=4米,则拱桥的直径为( )
A.15米 B.13米
C.9米 D.6.5米
解析:B 如图,设圆心为O,半径为r,则由勾股定理得|OB|2=|OD|2+|BD|2,即r2=(r-4)2+62,解得r=,所以拱桥的直径为13米.
3.一艘科考船在点O处监测到北偏东30°方向40海里处有一个小岛A,距离小岛10海里范围内可能存在暗礁.若以点O为原点,正东、正北方向分别为x轴、y轴正方向建立平面直角坐标系,则暗礁所在区域边界的方程为( )
A.(x+20)2+(y-20)2=100
B.(x-20)2+(y+20)2=100
C.(x+20)2+(y+20)2=100
D.(x-20)2+(y-20)2=100
解析:D 易得暗礁所在区域边界为一个圆,过A作y轴的垂线,垂足为B(图略),则∠AOB=30°,∵|OA|=40,∴|AB|=20,|OB|==20,∴暗礁所在区域边界方程为(x-20)2+(y-20)2=100.
4.小明家附近的一座桥是仿赵州桥建造的一座圆拱桥,已知在某个时间段,这座桥的水面跨度是20米,拱顶离水面4米,当水面上涨2米后,桥在水面的跨度为( )
A.10米 B.10米
C.6米 D.6米
解析:C 根据题意,建立如图所示的圆拱桥模型.设圆O的半径为R,当水面跨度是20米,拱顶离水面4米时,水面为AB,M为AB的中点,即|AB|=20,|OM|=R-4,由勾股定理,得|AM|2=()2=|OA|2-|OM|2,即100=R2-(R-4)2,解得R=.当水面上涨2米后,水面为CD,N为CD的中点,此时|ON|=R-2,由勾股定理,得|CD|=2|CN|=2=6(米).
5.设某公园外围成圆形,其所在曲线的方程可用x2+y2-2x=0表示,在公园外两点A(-2,0),B(0,2)与公园边上任意一点修建一处三角形舞台,则舞台面积的最小值为( )
A.3- B.3+
C.3- D.
解析:A 因为直线lAB:x-y+2=0,圆心为(1,0),半径为1,则圆心到直线lAB的距离为d==,所以AB边上的高的最小值为-1,所以三角形舞台面积Smin=×2×(-1)=3-.
6.〔多选〕从点A(-3,3)发出的光线l射到x轴上被x轴反射后,照射到圆C:x2+y2-4x-4y+7=0上,则下列结论正确的是( )
A.若反射光线与圆C相切,则切线方程为3x-4y-3=0
B.若反射光线穿过圆C的圆心,则反射光线方程为x-y=0
C.若反射光线照射到圆上后被吸收,则光线经过最短路程是5-1
D.若反射光线反射后被圆C遮挡,则在x轴上被挡住的范围是[-,1]
解析:BCD 点A(-3,3)关于x轴的对称点为A'(-3,-3).圆的方程为(x-2)2+(y-2)2=1,由题意知反射光线的斜率存在,设反射光线方程为y+3=k(x+3),即kx-y+3k-3=0.由反射光线与圆C相切知=1,解得k=或k=.所以反射光线方程为y+3=(x+3)或y+3=(x+3).即4x-3y+3=0或3x-4y-3=0,故A错误;过A'(-3,-3),C(2,2)的直线方程为y=x,故B正确;因为|A'C|==5,所以光线经过的最短路程为5-1,故C正确;由于两条与圆C相切的反射光线与x轴的交点为(1,0)和(-,0),所以被挡住的范围是[-,1],故D正确.
7.〔多选〕某圆拱桥的示意图如图所示,该圆拱的跨度AB是36 m,拱高OP是6 m,在建造时,每隔3 m需用一个支柱支撑,则下列结论正确的是( )
A.该圆拱所在圆的半径为30 m
B.支柱A1P1的高为(9-24)m
C.支柱A2P2的高为(12+24)m
D.支柱A2P2的高为(12-24)m
解析:ABD 如图,以线段AB所在的直线为x轴,线段AB的中点O为坐标原点建立平面直角坐标系,那么点A,B,P的坐标分别为(-18,0),(18,0),(0,6).设圆拱所在的圆的方程是x2+y2+Dx+Ey+F=0.因为A,B,P在此圆上,故有解得故圆拱所在圆的方程是x2+y2+48y-324=0,即x2+(y+24)2=302,圆的半径为30 m,选项A正确;将点P1的横坐标x=3代入上式,结合图形解得y=-24+9,故支柱A1P1的高为(9-24)m,选项B正确;将点P2的横坐标x=6代入上式,结合图形解得y=-24+12,故支柱A2P2的高为(12-24)m,选项C错误,D正确.故选A、B、D.
8.台风中心从A地以20 km/h的速度向东北方向移动,离台风中心30 km内的地区为危险区,城市B在A地正东40 km处,则城市B处于危险区的时间为1h.
解析:如图,以A地为坐标原点,AB所在直线为x轴,建立平面直角坐标系,则台风中心经过以B(40,0)为圆心,30为半径的圆内时城市B处于危险区,即B处于危险区时,台风中心在线段MN上,由题意知,台风路径用方程表示为y=x,则圆心B(40,0)到直线y=x的距离d==20,可求得|MN|=2=20,所以城市B处于危险区的时间为1 h.
9.为了适应市场需要,某地准备建一个圆形生猪储备基地(如图),它的附近有一条公路,从基地中心O处向正东方向走1 km是储备基地的边界上的点A,接着向东走7 km到达公路上的点B.从基地中心O向正北方向走8 km到达公路的另一点C.现准备在储备基地的边界上选一点D,修建一条由D通往公路BC的专用线DE,则|DE|的最小值为(4-1)(km).
解析:以O为坐标原点,OB,OC所在的直线分别为x轴,y轴,正东方向为x轴正方向,正北方向为y轴正方向,建立平面直角坐标系(图略),则圆O的方程为x2+y2=1.因为点B(8,0),C(0,8),所以直线BC的方程为+=1,即x+y-8=0.易知,当O,D,E三点共线且OE⊥BC时,DE的长最小,|DE|的最小值为-1=(4-1)(km).故|DE|的最小值为(4-1)(km).
10.设有半径长为3 km的圆形村落,甲、乙两人同时从村落中心出发,甲向东前进而乙向北前进,甲离开村后不久,改变前进方向,斜着沿切于村落边界的方向前进,后来恰好与乙相遇.设甲、乙两人的速度都一定,且其速度比为3∶1,甲、乙两人在何处相遇?
解:如图所示,以村落中心为坐标原点,以东西方向为x轴,南北方向为y轴建立平面直角坐标系.
设甲向东走到D转向到C恰好与乙相遇,设D点坐标为(a,0),C点坐标为(0,b),则CD所在直线的方程为+=1(a>3,b>3),设乙的速度为v,则甲的速度为3v.依题意有
解得
所以乙向北前进3.75 km时甲、乙两人相遇.
11.“圆材埋壁”是《九章算术》中的一个问题:“今有圆材,埋在壁中,不知大小;以锯锯之,深一寸,锯道长一尺,问径几何?”其意为:现有一圆柱形木材,埋在墙壁中,不知道大小,用锯去锯它,锯口深一寸,锯道长一尺,问这块圆柱形木材的直径是多少?现有圆柱形木材一部分埋在墙壁中,截面图如图所示(阴影部分为镶嵌在墙体内的部分),已知弦|AB|=1尺,弓形高|CD|=1寸,则阴影部分的面积约为(注:π≈3.14,sin 22.5°≈,1尺=10寸)( )
A.6.33平方寸 B.5.35平方寸
C.7.37平方寸 D.8.39平方寸
解析:A 连接OD(图略),设半径为r.由题意知|AD|=5寸,则|OD|=r-1,在Rt△OAD中,|OA|2=|AD|2+|OD|2,即r2=52+(r-1)2,解得r=13,则sin∠AOC=,所以∠AOC≈22.5°,则∠AOB≈2×22.5°=45°,所以扇形OAB的面积S1==≈66.33(平方寸),△OAB的面积S2=×10×12=60(平方寸),所以阴影部分的面积为S1-S2≈66.33-60=6.33(平方寸).
12.某公园有一形状可抽象为圆柱的标志性景观建筑物,该建筑物底面直径为8米,在其南面有一条东西走向的观景直道,建筑物的东西两侧有与观景直道平行的两段辅道,观景直道与辅道距离10米.在建筑物底面中心O的东北方向20米的点A处,有一360°全景摄像头,其安装高度低于建筑物的高度.那么观景直道不在该摄像头的监控范围内的长度为17.5米.
解析:以O为原点,正东方向为x轴正方向建立如图所示的直角坐标系,则O(0,0),A(20,20),观景直道所在直线的方程为y=-10,由图易知,过点A的直线l与圆O相切或相离时,摄像头监控不会被建筑物遮挡,所以设直线l过点A且恰与圆O相切,①若直线l垂直于x轴,则l不可能与圆O相切;②若直线l不垂直于x轴,设l:y-20=k(x-20),整理得kx-y-20k+20=0,所以圆心O到直线l的距离d==4,解得k=或k=,所以直线l的方程为3x-4y+20=0或4x-3y-20=0,设这两条直线与y=-10交于D,E,由解得x=-20,由解得x=-2.5,所以|DE|=17.5.
13.某中学开展劳动实习,学生加工制作零件,零件的截面如图所示(单位:cm),四边形AFED为矩形,AB,CD,FE均与圆O相切,B,C为切点,零件的截面BC段为圆O的一段弧,已知tan α=,tan β=,则该零件的截面的周长为84+6π.(结果保留π)
解析:以A为原点,AD所在直线为x轴建立平面直角坐标系,如图,则直线AB的方程为4x+3y=0,直线CD的方程为3x-4y-105=0,直线EF的方程为y=12,设圆心为O(a,b),则圆心到直线AB,直线CD,直线y=12的距离均相等且等于r,则r===|12-b|,解得a=15,b=0,r=12,易得|AB|==9,|CD|==16,对应弧长为圆的周长,故该零件的截面的周长为9+16+24+35+=84+6π.
14.(2025·阳江月考)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运回时,每单位距离,A地的运费是B地的2倍,已知A,B两地相距6千米,顾客购物的唯一标准是总费用较低.建立适当的平面直角坐标系.
(1)求A,B两地的售货区域的分界线的方程;
(2)画出分界线的方程表示的曲线的示意图,并指出在方程的曲线上、曲线内、曲线外的居民如何选择购货地.
解:(1)以线段AB的中点O为坐标原点,AB所在直线为x轴建立如图所示的平面直角坐标系xOy,则点A(3,0),B(-3,0),
设每单位距离B地的运费为a元,设售货区域内一点为P(x,y),若在两地的购货费用相同,则2a=a,
化简可得(x-5)2+y2=16,故在A,B两地的售货区域的分界线的方程为(x-5)2+y2=16.
(2)如图,由(1)可知,A,B两地的售货区域的分界线是以点(5,0)为圆心,以4为半径的圆,所以在圆(x-5)2+y2=16上的居民从A,B两地购货的总费用相同.
由2a>
a,可得(x-5)2+y2>16,
所以在圆(x-5)2+y2=16外的居民从B地购货便宜;
由2a<a,可得(x-5)2+y2<16,
所以在圆(x-5)2+y2=16内的居民从A地购货便宜.
15.如图,已知某市穿城公路MON自西向东到达市中心O后转向正北方向,∠MON=,现准备修建一条直线型高架公路L,在MO上设一出入口A,在ON上设一出入口B.且要求市中心O到AB所在直线的距离为10 km.
(1)若将出入口A设计在距离中心O点10 km处,求A,B两出入口间的距离;
(2)在公路MO段上距离市中心O点30 km处有一古建筑C(视为点),现设立一个以C为圆心,5 km为半径的圆形保护区(包含边界),问如何在古建筑C和市中心O之间设出入口A,才能使高架公路及其延长线不经过保护区?
解:(1)如图,过点O作OE⊥AB交AB于点E,则OE=10 km.
在Rt△AEO中,sin A==,所以cos A=,
在Rt△ABO中,AB===20(km),
即A,B两出入口间的距离为20 km.
(2)以O为原点建立平面直角坐标系,则圆C的方程为(x+30)2+y2=25.
设直线AB的方程为y=kx+t(k>0,t>0).则|OA|=,且需=10,>5,
解得t<20k或t>60k.
因为古建筑C距O点30 km,当t>60k时,|OA|>60,不合题意,
所以t<20k,即|OA|<20.故0<|OA|<20.
所以出口A应设计在与市中心距离20 km以内的位置.
1 / 11第二课时 直线与圆的方程的实际应用
课标要求
1.在平面直角坐标系中,探索直线与圆的方程的实际应用(数学抽象). 2.能用直线与圆的方程解决实际问题,体会坐标法在解题中的应用(数学建模).
知识点一|圆的方程的实际应用
问题1 初中时,我们多用综合法研究几何问题,它有什么特点?现在我们给圆建立了方程,那么还可以用什么方法?
【知识梳理】
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 问题转化为 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含义,得到几何问题的结论.这就是用坐标法解决平面几何问题的“三步曲”:
提醒:建立不同的平面直角坐标系,对解决问题有着直接的影响.因此,建立直角坐标系,应使所给图形尽量对称,所需的几何元素的坐标或方程尽量简单.
【例1】 (链接教材P93例3)一座圆拱桥,当水面在如图所示的位置时,拱顶离水面2米,水面宽12米,当水面下降2米后,水面宽是( )
A.13米 B.14米 C.15米 D.16米
【规律方法】
解决与圆有关的应用题的方法步骤
(1)建坐标系:充分利用线段及其垂直平分线,建立平面直角坐标系;
(2)求出方程:根据几何性质,确定圆心与半径,求圆的标准方程;
(3)计算求值:利用圆的方程,确定点的坐标,转化为实际问题的解.
训练1 河道上有一座圆拱桥,在正常水位时,拱圈内部最高点距水面9 m,拱圈内部水面宽22 m.一条船在水面以上部分高6.5 m,船顶部宽4 m,可以通行无阻,近日水位暴涨了2.7 m,为此必须加重船载,降低船身,才能使船通过桥洞,则船身应该降低 m.(精确到0.01)
知识点二|直线与圆的方程的实际应用
问题2 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?
【例2】 (链接教材P94例4)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45°方向距O岛40千米处,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30°方向距O岛40千米处,正沿着北偏东45°方向行驶,若不改变方向,试问该船有没有触礁的危险?
【规律方法】
直线与圆的方程实际应用的步骤
训练2 某考点配备的信号检测设备的监测范围是半径为100米的圆形区域,一名工作人员持手机以每分钟50米的速度从设备正东方向50米的A处出发,沿西北方向走向位于设备正北方向的B处,则这名工作人员被持续监测的时长为( )
A.1分钟 B.分钟 C.2分钟 D.分钟
1.如图是一个圆曲隧道的截面,若路面AB宽为10米,净高CD为7米,则此隧道圆的半径是( )
A.5米 B.米
C.米 D.7米
2. 一辆货车宽2米,要经过一个半径为米的半圆形隧道,则这辆货车的车顶(平顶)距离地面的高度不得超过( )
A.2米 B.2.4米 C.3米 D.3.6米
3.如图,已知一艘停在海面上的海监船O上配有雷达,其监测范围是半径为25 km的圆形区域,一艘轮船从位于海监船正东40 km的A处出发,径直驶向位于海监船正北30 km的B处岛屿,速度为28 km/h.问这艘轮船被海盗船监测多长时间?
课堂小结
1.理清单 (1)圆的方程的实际应用; (2)直线与圆的方程的实际应用. 2.应体会 解决直线与圆的实际问题,通常利用数形结合思想,建立数学模型解决问题. 3.避易错 不能正确进行数学建模.
提示:完成课后作业 第二章 2.5 2.5.1 第二课时
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