新人教A版高中数学必修第二册:直线与圆、圆与圆的位置关系

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名称 新人教A版高中数学必修第二册:直线与圆、圆与圆的位置关系
格式 zip
文件大小 683.8KB
资源类型 教案
版本资源 人教A版(2019)
科目 数学
更新时间 2021-03-20 20:42:25

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文档简介

授课主题
直线与圆、圆与圆的位置关系
教学目标
1.理解和掌握直线与圆的位置关系.2.会用代数和几何方法判断直线和圆的位置关系.3.利用直线与圆的位置关系解决一些实际问题.4.正确理解圆与圆的位置关系.5.会判断两圆的位置关系.
教学内容
1.直线与圆的位置关系直线Ax+By+C=0与圆(x-a)2+(y-b)2=r2的位置关系及判断如下表所示:位置关系相交相切相离公共点个数2个1个0个判定方法几何法:设圆心到直线的距离d=dr代数法:由消元得到一元二次方程的判别式ΔΔ>0Δ=0Δ<02.求直线被圆所截得的弦长①应用圆中直角三角形:半径r,圆心到直线的距离d,弦长l具有的关系:.②利用弦长公式:设直线l:y=kx+b,与圆两交点(x1,y1),(x2,y2),将直线方程代入圆的方程,消元后利用根与系数的关系得弦长l=|x1-x2|=.3.圆与圆位置关系的判定(1)几何法.若两圆的半径分别为r1,r2,两圆的圆心距为d,则两圆的位置关系的判断方法如下:位置关系外离外切相交内切内含图示d与r1,r2的关系d>r1+r2d=r1+r2|r1-r2|r1+r2d=|r1-r2|d<|r1-r2|(2)代数法.联立两圆的方程组成方程组,则方程组解的个数与两圆的位置关系如下表所示:方程组解的个数2组1组0组两圆的公共点个数2个1个0个两圆的位置关系相交外切或内切外离或内含4.两圆的公切线当两圆内切时有一条公切线;当两圆外切时,有三条公切线:两条外公切线、一条内公切线;当两圆相交时,有两条外公切线;当两圆相离时有四条公切线:两条外公切线、两条内公切线;当两圆内含时,没有公切线.题型一 判断直线与圆的位置关系例1 已知圆的方程是x2+y2=2,直线y=x+b,当b为何值时,(1)圆与直线有两个公共点;(2)只有一个公共点;(3)没有公共点.解析:本题可用代数法和几何法两种方法解,我们选用几何法.圆心O(0,0)到直线y=x+b的距离为d=,圆的半径r=.(1)当dr,即b>2或b<-2时,直线与圆相离,无公共点.点评:几何法判断直线与圆的位置关系的主要步骤是:①把圆的方程化为标准形式,求出圆心和半径r.②利用点到直线的距离公式求圆心到直线的距离d.③判断:当d>r时,直线与圆相离;当d=r时,直线与圆相切;当d固 直线3x-4y+6=0与圆(x-2)2+(y-3)2=4的位置关系是(  )A.相离
B.相切C.相交且过圆心
D.相交但不过圆心解析:圆心(2,3)在直线3x-4y+6=0上,即直线与圆相交且过圆心,故选C.答案:C巩
固 若直线y=kx-2k与圆(x-3)2+y2=1恒有两个交点,则实数k的取值范围为(  )A.R
B.(-∞,0)∪(0,+∞)C.
D.解析:由题意可知<1,即此不等式恒成立,故选A.或直线y=k(x-2)过定点(2,0),定点(2,0)在圆(x-3)2+y2=1上.由于斜率k存在,故总有两个交点.答案:A巩
固 直线y=kx被圆x2+y2=2截得的弦AB长等于(  )A.4
B.2
C.2
D.解析:直线y=kx过圆心,被圆x2+y2=2所截得的弦长恰为圆的直径2,故选C.答案:C巩
固 已知圆C:x2+y2-4x=0,l为过点P(3,0)的直线,则(  )A.l与C与相交B.l与C与相切C.l与C与相离D.以上三个选项均有可能解析:32+02-4×3=-3<0,所以点P(3,0)在圆C内部,故选A.答案:A题型二 圆的切线方程例2
求过点P(3,2)的圆x2+y2=9的切线方程.分析:法一,利用点到切线的距离等于圆的半径求直线的斜率,由点斜式求切线方程;法二,求切点坐标,利用过圆上点(x0,y0)的切线方程为x0x+y0y=9求解.解析:解法一:设所求切线的方程为y-2=k(x-3)或x=3,即kx-y+2-3k=0或x=3.又圆心为O(0,0),半径r=3,而圆心到切线的距离为d==3,即|3k-2|=3,所以k=-.所以方程为-x-y+2+3×=0,即5x+12y-39=0.可验证:x=3为圆的切线.故所求切线方程为x=3或5x+12y-39=0.解法二:设切点为M(x0,y0),则有切线方程为x0x+y0y=9.又切线过点P(3,2),所以3x0+2y0=9.①而M(x0,y0)在圆上,所以x20+y20=9.②解①、②组成的方程组,得或代入x0x+y0y=9,得3x=9或x+y=9.即x=3或5x+12y-39=0.点评:(1)求过一点的圆的切线方程时,要先检验一下此点在圆上还是圆外,防止漏解.若此点在圆上,切线只有一条;若此点在圆外,则切线一定有两条,特别是斜率不存在的情况易忽视.(2)过圆x2+y2=r2上的点M(x0,y0)的切线方程是x0x+y0y=r2.必须注意圆的特征是圆心在原点,对其他圆不成立.巩
固 圆(x-1)2+(y+)2=1的切线方程中有一个是(  )A.x-y=0
B.x+y=0C.x=0
D.y=0解析:画出图形易看出y轴是一条切线.答案:C题型三 直线与圆相交的问题例3 已知直线kx-y+6=0被圆x2+y2=25所截得的弦长为8,求k的值.分析:可以利用圆的几何性质,构造直角三角形,结合勾股定理解之,也可以利用代数方法构造方程组,结合弦长公式求解.不管是用哪种方法,只需求出直线的斜率即可.解析:解法一:设直线kx-y+6=0被圆x2+y2=25所截得的弦长为AB,其中点为C,则△OCB为直角三角形.因为圆的半径为|OB|=5,半弦长为=|BC|=4,所以圆心到直线kx-y+6=0的距离为3,由点到直线的距离公式得=3,解之得k=±.解法二:设弦AB的端点为A(x1,y1),B(x2,y2),联立方程组消去y得,(1+k2)x2+12kx+11=0,所以x1+x2=-,x1x2=,因此|AB|=|x1-x2|=·==8,解之得k=±.点评:在解决有关圆的问题时,要充分利用圆的几何性质,比较两种解法,解法一比解法二简单得多.在处理直线与圆相交时的弦长问题时常用的方法有两种:一是几何法,即利用弦心距、半径及半弦构成的直角三角形并结合勾股定理来计算;二是代数法,即利用根与系数关系和弦长公式来计算.第二种方法是处理直线与二次曲线相交问题的通法,特别是处理直线与非圆二次曲线相交问题时,基本是用这种方法.此外设点坐标A(x1,y1),B(x2,y2)是解解析几何问题常用的方法,一般点的坐标只需设出而不求,须认真体会.巩
固 求直线x-y+2=0被圆x2+y2=4截得的弦长.解析:解法一:直线x-y+2=0和圆x2+y2=4的公共点坐标就是方程组的解.解这个方程组,得所以公共点的坐标为(-,1),(0,2),直线x-y+2=0被圆x2+y2=4截得的弦长为=2.解法二:如图,设直线x-y+2=0与圆x2+y2=4交于A,B两点,弦AB的中点为M,则OM⊥AB(O为坐标原点),所以OM==,所以AB=2AM=2=2=2.题型四 直线与圆有关最值问题例4 已知实数x,y满足x2+y2-4x+1=0.求:(1)的最大值;(2)y-x的最小值.解析:(1)设=k,得y=kx,所以k为过原点的直线的斜率.方程x2+y2-4x+1=0表示以C(2,0)为圆心,半径为的圆,如图所示.当直线y=kx与已知圆相切且切点P在第一象限时,k最大,此时|CP|=,|OC|=2,所以在Rt△POC中,∠POC=60°,k=tan
60°=,所以的最大值为.(2)设y-x=b,即为直线y=x+b,b为该直线在y轴上的截距,如上图所示.当直线y=x+b与圆有公共点时,当且仅当直线与圆相切,且切点在第四象限时b最小,此时圆心(2,0)到直线的距离为,即=,得b=--2或b=-2(舍去),所以y-x的最小值为--2.点评:求与圆上的点的坐标有关的最值问题时,常常根据式子的结构特征,寻找它的几何意义,进而转化成与圆的性质有关的问题解决,其中构造斜率、截距、距离是常用的方法.巩
固 圆x2+y2-4x-5=0上的点到直线3x-4y+14=0的距离的最大值为________.答案:7题型五 两圆的位置关系例5 已知圆C1:x2+y2-2mx+4y+m2-5=0,圆C2:x2+y2+2x-2my+m2-3=0,m为何值时:(1)圆C1与圆C2相外切?(2)圆C1与圆C2内含?解析:对于圆C1,圆C2的方程,经配方后C1:(x-m)2+(y+2)2=9,C2:(x+1)2+(y-m)2=4.(1)如果C1与C2外切,则有=3+2,∴m2+3m-10=0,解得m=-5或2.(2)如果C1与C2内含,则有<3-2,(m+1)2+(m+2)2<1,m2+3m+2<0,得-2r1+r2;内含?|O1O2|<|r1-r2|.巩
固 判断下列两圆的位置关系.(1)(x+2)2+(y-2)2=1与(x-2)2+(y-5)2=16;(2)x2+y2+6x-7=0与x2+y2+6y-27=0.解析:(1)根据题意得,两个圆的半径分别为r1=1和r2=4,两圆的圆心距d==5.因为d=r1+r2,所以两圆外切.(2)将两圆的方程化为标准方程,得(x+3)2+y2=16,x2+(y+3)2=36.故两圆的半径分别为r1=4和r2=6,两圆的圆心距d==3.因为|r1-r2|圆A的方程为x2+y2-2x-2y-7=0,圆B的方程为x2+y2+2x+2y-2=0,判断圆A和圆B是否相交.若相交,求过两交点的直线的方程及两交点间的距离;若不相交,说明理由.解析:圆A的方程可写为(x-1)2+(y-1)2=9,圆心A(1,1),半径rA=3.圆B的方程可写为(x+1)2+(y+1)2=4,圆心B(-1,-1),半径rB=2.∴两圆心之间的距离满足3-2<|AB|==2<3+2.即两圆心之间的距离小于两圆半径之和且大于两圆半径之差,∴两圆相交.两圆方程左、右两边分别相减可得4x+4y+5=0,设两圆交点分别为C,D,则C,D两点坐标满足上述方程,故两圆公共弦所在的直线方程为4x+4y+5=0.∵圆心A到直线CD的距离为d==eq
\r(2).由勾股定理,得|CD|=2=2=.∴两圆相交,过两交点的直线方程为4x+4y+5=0,两交点间的距离为.点评:求两圆的公共弦所在的直线方程,只需把两个圆的方程相减即可.这是因为若两圆相交,其交点坐标必定满足相减后的方程;另一方面,相减后的方程为二元一次方程,即直线的一般方程,故此方程即为两圆公共弦所在直线方程.而在求两圆的公共弦长时,则应注意数形结合思想方法的灵活运用.巩
固 已知圆C1:x2+y2+2x-6y+1=0,圆C2:x2+y2-4x+2y-11=0,求两圆的公共弦所在的直线方程及公共弦长.解析:设两圆交点为A(x1,y1),B(x2,y2),则A,B两点坐标是方程组的解,①-②得3x-4y+6=0.∵A,B两点坐标都满足此方程,∴3x-4y+6=0即为两圆公共弦所在的直线方程.易知圆C1的圆心(-1,3),半径r=3.又C1到直线AB的距离为d==.∴|AB|=2=2=.即两圆的公共弦长为.题型七 与两圆相切的问题例7 求与圆C:x2+y2-2x=0外切且与直线l:x+y=0相切于点M(3,-)的圆的方程.解析:圆C的方程可化为(x-1)2+y2=1,圆心C(1,0),半径为1.设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),由题意可得解得所以所求圆的方程为(x-4)2+y2=4.点评:两圆外切时常用圆心距等于半径之和求解.圆与直线相切时,该圆心到这条直线的距离等于圆的半径,若已知切点坐标,也可以用切点与圆心间的距离得圆的半径.本题是设出圆的方程,根据已知条件列出关于a,b,r的方程组,用待定系数法求解.巩
固 半径为3的圆C1与圆C2:x2+(y-3)2=1内切,切点为(0,2),求圆C1的方程.解析:因半径为3,设圆C1的方程为(x-a)2+(y-b)2=9,则圆心C1(a,b),由已知得圆C2圆心为C2(0,3),半径r=1.圆心距d==.因C1与C2内切,故d=|R-r|=|3-1|=2,即:=2.①因切点为(0,2),故(0-a)2+(2-b)2=9,即:a2+(2-b)2=9,②联合解方程①②得:a=0,b=5.所以圆C1的方程为:(x-0)2+(y-5)2=9,即:x2+(y-5)2=9.1.若PQ是圆x2+y2=9的弦,PQ的中点是(1,2),则直线PQ的方程是(  )A.x+2y-3=0
B.x+2y-5=0C.2x-y+4=0
D.2x-y=0解析:结合圆的几何性质知直线PQ过点A(1,2),且和直线OA垂直,故其方程为:y-2=-(x-1),整理得x+2y-5=0.答案:B2.过点(0,1)的直线与圆x2+y2=4相交于A,B两点,则|AB|的最小值为(  )A.2
B.2
C.3
D.2解析:当圆心到直线距离最大时,弦长最短,易知当圆心与定点G(0,1)的连线与直线AB垂直时,圆心到直线AB的距离取得最大值,即d=|OG|=1,此时弦长最短,即≥=?|AB|≥2,故选B.答案:B3.圆x2+y2-4x=0在点P(1,)处的切线方程是(  )A.x+y-2=0
B.x+y-4=0C.x-y+4=0
D.x-y+2=0解析:圆心为C(2,0),则直线CP的斜率为=-,又切线与直线CP垂直,故切线斜率为,由点斜式得切线方程:y-=(x-1)即x-y+2=0.答案:D4.(2013·山东卷)过点(3,1)作圆(x-1)2+y2=1的两条切线,切点分别为A,B,则直线AB的方程为(  )A.2x+y-3=0
B.2x-y-3=0C.4x-y-3=0
D.4x+y-3=0答案:A5.直线x-2y-3=0与圆(x-2)2+(y+3)2=9交于E,F两点,则△EOF(O是原点)的面积为(  )A.
B.
C.2
D.答案:D6.
(2014·广州一模)圆(x-1)2+(y-2)2=1关于直线y=x对称的圆的方程为(  )A.(x-2)2+(y-1)2=1B.(x+1)2+(y-2)2=1C.(x+2)2+(y-1)2=1D.(x-1)2+(y+2)2=1答案:A7.若实数x,y满足(x-2)2+y2=3,那么的最大值为(  )A.
B.
C.
D.解析:方程(x-2)2+y2=3的曲线是以A(2,0)为圆心,以为半径的圆,实数x,y是圆上的点P(x,y)的坐标,而是直线OP的斜率,由下图可知当点P在第一象限且OP为圆的切线时,k最大.eq
\b\lc\{\rc\
(\a\vs4\al\co1(?x-2?2+y2=3,,\f(y,x)=k,))得(1+k2)x2+1-4x=0,Δ=12-4k2=0,有k=±.∴k最大即最大为.故选D.答案:D8.圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2-4y=0的位置关系是(  )A.外离      
B.相交C.外切
D.内切解析:圆O1:(x-1)2+y2=1圆O2:x2+(y-2)2=4∴两圆心之间的距离|O1O2|==<1+2=3,两圆相交.答案:B
9.两圆x2+y2=r2,(x-3)2+(y+1)2=r2外切,则正实数r的值是(  )A.
B.C.
D.5解析:圆心距为,由相外切得:r+r=,∴r=.答案:B10.与两圆x2+y2+4x-4y+7=0和x2+y2-4x-10y+13=0都相切的直线有(  )A.1条
B.2条C.3条
D.4条解析:两圆的圆心距为5,两圆半径和为5,故两圆外切.因此,有两条外公切线和一条内公切线,共3条.答案:C11.已知半径为1的动圆与圆(x-5)2+(y+7)2=16相切,则动圆圆心的轨迹方程是(  )A.(x-5)2+(y+7)2=25B.(x-5)2+(y+7)2=17或(x-5)2+(y+7)2=15C.(x-5)2+(y+7)2=9D.(x-5)2+(y+7)2=25或(x-5)2+(y+7)2=9答案:D12.若圆x2+y2=4与圆x2+y2+2ay-6=0(a>0)的公共弦长为2,则a=________.答案:113.已知两圆C1:x2+y2+2x+4y=0,C2:x2+y2+x+y-1=0,则它们的公共弦所在的直线方程为________________________________.答案:x+3y+1=014.过两圆C1:x2+y2-x-y-2=0与圆C2:x2+y2+4x-4y-8=0的交点和点(3,1)的圆的方程为___________________.解析:设圆的方程为x2+y2-x-y-2+λ(x2+y2+4x-4y-8)=0,○
将点(3,1)代入得9+1-3-1-2+λ(9+1+12-4-8)=0,解得λ=-,代入○
并化简得所求圆的方程为x2+y2-x+y+2=0.答案:x2+y2-x+y+2=015.直线y=x+b与曲线y=有两个公共点,则b的取值范围是________.解析:曲线为x2+y2=1(y≥0),表示单位圆的上半圆,由数形结合法,知1≤b<.答案:1≤b<16.已知圆C:(x-1)2+(y-2)2=25,直线l:(2m+1)x+(m+1)y-7m-4=0(m∈R).(1)求证:直线l恒过定点;解析:直线l的方程可化为(2x+y-7)m+x+y-4=0.∵m∈R,∴解得∴直线l恒过定点A(3,1).(2)判断直线l与圆C的位置关系;解析:圆心C(1,2),|AC|==<5,∴点A在圆C内.从而直线l与圆C相交(无论m为何实数).
(3)当m=0时,求直线l被圆C截得的弦长.解析:当m=0时,直线l的方程为x+y-4=0,圆心C(1,2)到它的距离为d==.∴此时直线l被圆C截得的弦长为2=2=7.17.求经过两圆x2+y2+6x-4=0和x2+y2+6y-28=0的交点且圆心在直线x-y-4=0上的圆的方程.解析:两圆的公共弦所在的直线方程为x-y+4=0.两圆的连心线所在的直线方程为x+y+3=0.由得两圆交点为A(-1,3),B(-6,-2),设公共弦长为d,则==,由得圆心为.设所求圆半径为r,则r2=2+2=.
∴故所求圆的方程为2+2=.18.求过直线2x+y+4=0和圆x2+y2+2x-4y+1=0的交点且满足下列条件之一的圆的方程.(1)过原点;(2)有最小面积.解析:设所求圆的方程为x2+y2+2x-4y+1+λ(2x+y+4)=0,即x2+y2+2(1+λ)x+(λ-4)y+(1+4λ)=0(1)∵此圆过原点,∴1+4λ=0,λ=-,故所求圆的方程为x2+y2+x-y=0.(2)将圆系方程化为标准形式:(x+1+λ)2+2=2+,要使其面积最小,必须圆的半径取最小值,此时λ=,即满足条件的圆的方程为2+2=.1.判断直线与圆的位置关系主要有以下两种方法.(1)判断直线l与圆C的方程组成的方程组的解.有两解时,相交;有一解时,相切;无解时,相离;(2)判断圆心到直线的距离d与圆的半径r的大小关系:当dr时,相离.2.设切线方程时,若设点斜式一定要注意斜率不存在的情况.3.直线与特殊圆相切,切线的求法.(1)当点(x0,y0)在圆x2+y2=r2上时,切线方程为x0x+y0y=r2;(2)若点(x0,y0)在圆(x-a)2+(y-b)2=r2上,则切线方程为(x0-a)(x-a)+(y0-b)(y-b)=r2;(3)斜率为k且与圆x2+y2=r2相切的切线方程为:y=kx±r;斜率为k且与圆(x-a)2+(y-b)2=r2相切的切线方程的求法,可以设切线为y=kx+m,然后变成一般式kx-y+m=0,利用圆心到切线的距离等于半径列出方程求m.(4)解析几何中一题多解的情形经常出现,要注意根据题目条件选择恰当的解法,使计算更加简便.(5)要注意数形结合思想的应用.1.填空:两圆的半径分别为R,r,圆心距设为d.当d>R+r时,两圆________;当d=R+r时,两圆________;当|R-r|<d<R+r时,两圆________;当d=|R-r|时,两圆________;当d<|R-r|时,两圆________.答案:外离 外切 相交 内切 内含2.已知圆O1和圆O2的半径分别为3
cm和4
cm,则,①当O1O2=8
cm时,两圆________;②当O1O2=7
cm时,两圆________;③当O1O2=5
cm时,两圆________;④当O1O2=1
cm时,两圆________;⑤当O1O2=0.5
cm时,两圆________.答案:①外离 ②外切 ③相交 ④内切 ⑤内含3.填空:(1)直线x+y=0与圆x2+y2=1的位置关系是______.(2)直线x+y=0与圆x2+y2=2联立求解知其解为________,故直线与圆的位置关系为________.(3)直线x+y=2与圆x2+y2=2联立求解知其解为________.故直线与圆的位置关系为________.答案:(1)相交;
(2)(1,-1)或(-1,1) 相交;
(3)(1,1) 相切4.圆C1:x2+y2+2x-6y-26=0与圆C2:x2+y2-4x+2y+4=0的位置关系是(  )A.内切
B.外切
C.相交
D.相离解析:圆C1:(x+1)2+(y-3)2=36,圆C2:(x-2)2+(y+1)2=1,R1=6,R2=1,又|C1C2|==5,∴|C1C2|=R1-R2,故两圆内切.答案:A5.已知圆A,B相切,圆心距为20
m,其中圆A的半径为10
m,则圆B的半径为(  )A.10
m
B.10
m或30
mC.30
m
D.无解解析:圆A,B相切包括相内切r=20+10=30
m,相外切r=20-10=10
m,故选B.答案:B6.两圆x2+y2-6x+16y-48=0与x2+y2+4x-8y-44=0的公切线条数是(  )A.4条
B.3条
C.2条
D.1条解析:两圆化为标准方程为:(x-3)2+(y+8)2=121,(x+2)2+(y-4)2=64.知圆心距为=13,R1=11,R2=8,∴两圆相交,故有2条公切线.答案:C7.直线y=x+1与圆x2+y2=1的位置关系是(  )A.相切    
  B.相交但直线不过圆心C.直线过圆心   
D.相离解析:圆心(0,0)到直线的距离为=<1,且(0,0)不在直线y=x+1上,故选B.答案:B8.下列说法中正确的是(  )A.若直线与圆有两个交点,则直线与圆相切B.与半径垂直的直线与圆相切C.过半径外端的直线与圆相切D.过圆心且与切线垂直的直线过切点解析:A为相交,B、C中的直线有无数条.答案:D9.直线y=x-1上的点到圆x2+y2+4x-2y+4=0的最近距离为(  )A.2
B.-1C.2-1
D.1答案:C10.已知直线x=a(a>0)和圆(x-1)2+y2=4相切,那么a的值是(  )A.5
B.4
C.3
D.2解析:∵|a-1|=2,又a>0,∴a=3.答案:C11.点A(3,5)是圆x2+y2-4x-8y-80=0的一条弦的中点,则这条弦所在直线的方程为____________________.解析:圆为(x-2)2+(y-4)2=102,圆心为B(2,4),r=10.弦所在直线为l,则AB⊥l,∴kAB==1,k=-1.∴所求直线为y-5=-(x-3),即x+y-8=0.答案:x+y-8=0
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