初中数学 圆的分类讨论问题 专题辅导
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初中数学 圆的分类讨论问题 专题辅导
陈开金
分类讨论是指在解题过程中,根据某一数学对象的数学属性,按照一定的标准分成若干类型逐一解决的思维方法。
它有助于我们条理清晰地全面解决问题。
在圆的有关问题中,需要分情况讨论的问题林林总总,以往有不少人对此进行收集整理,但都不够详尽。
一. 根据点和圆的位置分类
例1. 已知点P 是圆O 所在平面上一定点,点P 到圆O 上各点的最短距离为2,最长距离为4,则圆O 的直径为_________。
解析:根据点P 和圆的位置关系,可分点在圆内和点在圆外两种情况。
过点P 和圆心O 作直线分别与圆O 相交于A 、B 两点。
PA 、PB 分别表示圆上各点到点P 的最长距离和最短距离。
(1)当点P 在圆外时,如图1所示,直径2PB PA AB =-=;
(2)当点P 在圆内时,如图2所示,直径6PB PA AB =+=。
所以,圆O 的直径为2或6。
二. 根据圆心和弦的位置分类
例2. 圆O 的半径为5cm ,弦AB//CD ,弦AB 长8cm ,另一条弦CD 长6cm ,则这两条弦之间的距离为_______。
解析:两条平行弦AB 与CD 可能在圆心O 的同侧,也可能在圆心的异侧。
应用垂径定理,不难计算圆心O 到弦AB 的距离3OF =cm ,圆心O 到弦CD 的距离cm 4OE =。
(1)当AB 与CD 在圆心O 的异侧时,如图3所示,AB 与CD 间的距离为7OF OE EF =+=;
(2)当AB 与CD 在圆心O 的同侧时,如图4所示,AB 与CD 间的距离为1OF OE EF =-=。
可见,这两条弦之间的距离为7cm 或1cm 。
例3. 已知,圆O 的半径为1,弦2AB =,3AC =,则∠BAC=_________。
解析:也分两弦AB 与AC 分别在圆心O 的异侧和同侧两种情况。
分别过点O 作AC OE ,AB OD ⊥⊥,
由垂径定理,2
3AE ,22AD ==。
由勾股定理知,2
1CE ,22OD ==, 所以∠OAD=45°,∠OAE=30°。
(1)当AB 与AC 在圆心O 的异侧时,如图5所示,∠BAC=∠OAD+∠OAE=75°;
(2)当AB 与CD 在圆心O 的同侧时,如图6所示,∠BAC=∠OAD-∠OAE=15°。
所以,∠BAC=75°或15°。
例4. 相交两圆的公共弦长为6,若两圆的半径分别为8和5,则两圆的圆心距为______。
解析:两圆相交,圆心有可能位于公共弦异侧,也可能位于公共弦同侧。
分别如图所示,设连心线21O O 交AB 于点C ,连接A O 1、A O 2。
利用圆的对称性易知A 、B 关于21O O 对称,故AC=3,C AO 1∆、C AO 2∆都是直角三角形,由勾股定理知
435C O ,
5538C O 222221=-==-=
(1)当1O 与2O 位于公共弦AB 异侧时,与AC 在圆心O 的异侧时,如图7所示,
455C O C O O O 2121+=+=。
(2)当AB 与CD 在圆心O 的同侧时,如图8所示,455C O C O O O 2121-=-=。
答:两圆的圆心距为455455-+或。
说明:两圆相交,已知两圆半径及公共弦长求圆心距时,有两种情况(等圆除外);已知两圆半径及圆心距求公共弦长时,有一种情况。
三. 根据圆心与圆周角的位置关系分类
在圆周角定理的证明中,根据圆心与圆周角的位置关系分为三类加以讨论:(1)圆心在角的一边上;(2)圆心在角的内部;(3)圆心在角的外部。
其中,第一种情况是最特殊最容易证明的情况,而其余两种都是转化为第一种情况加以证明的。
通过这三种情况的证明概括得出一般性结论。
四. 根据圆心角与圆周角的位置关系分类
例5. 点C 是圆O 上任一点,且∠AOB=100°,则∠ACB=_________。
解:由于点C 在圆O 上的位置不确定,有两种可能。
(1)当∠ACB 与∠AOB 开口方向“相同”时,根据“同弧所对的圆周角等于圆心角的一半”知︒=∠=∠50AOB 2
1ACB ;
(2)当AOB ACB ∠∠与开口方向“相对”时,︒=∠-︒=∠130)AOB 360(21ACB ; 所以︒︒=∠13050ACB 或。
配套练习
1. ABC ∆是圆O 的外接圆,且∠AOB=100°,则∠ACB=________。
2. PA 、PC 分别切圆O 于A 、C 两点,B 为圆O 上与A 、C 不重合的点,若∠P=50°,则∠ABC=_________。
五. 同弦所对的圆周角,根据顶点在优弧和顶点的劣弧分类
例6. 圆的弦长恰好等于该圆的半径,则这条弦所对的圆周角是_________。
解:如图11,弦AB 所对的圆周角有∠ADB 和∠ACB 。
由弦长AB 恰好等于该圆的半径知∠ADB=60°。
(1)若顶点在优弧上,如图中︒=∠=
∠30AOB 2
1ADB ; (2)若顶点在劣弧上,如图中 ︒=∠-︒=∠150)AOB 360(2
1ACB 。
所以,这条弦所对的圆周角是30°或150°。
六. 根据同弦所对的弧是优弧和劣弧分类
例7. 圆的半径等于2cm ,圆内一条弦长cm 32,则弦的中点与弦所对弧的中点的距离等于__________。
解析:设圆O 的半径为2cm ,弦cm 32AB =,由图12知,弦AB 所对的弧有优弧ACB 和劣弧ADB 。
作直径AB CD ⊥于E ,则C 、E 、D 分别是相应的中点。
连接OA ,由垂径定理和勾股定理易求得1OE =。
(1)弦的中点与弦所对优弧的中点的距离等于cm 312CE =+=。
(2)弦的中点与弦所对劣弧的中点的距离等于cm 112CE =-=。
答案:3cm 或1cm 。
七. 根据圆心和三角形的位置分类
例8. ABC ∆是半径为2cm 的圆内接三角形,若cm 32BC =,则∠A 的度数为______。
解析:因为已知圆的直径为4cm ,<=BC ,cm 32BC 圆的直径,所以ABC ∆在圆中的位置如图所示有两种情况。
构造直角三角形,易求2
3DOB sin =
∠,所以锐角∠DOB=60°,∠BOC=2∠DOB=120°,再根据同弧或等弧所对的圆心角与圆周角之间关系得。
答案:60°或120°。
八. 根据圆与圆的位置关系分类
例9. 两圆相切,圆心距是10,其中一圆的半径是4,则另一圆的半径是_________。
解析:两圆相切时,有内切与外切之分。
设另一圆的半径为r 。
(1)当两圆内切时,则10|4r |=-,易知14r =; (2)当两圆外切时,则104r =+,易知6r =。
所以,另一圆的半径是14或6。
例10. (2004年沈阳市)已知ABC ∆中,∠C=90°,AC=3,BC=4,分别以A 、C 为圆心作圆A ,圆C ,且圆C 与直线AB 不相交,圆A 与圆C 相切,设圆A 的半径为r ,那么r 的取值范围是_________。
解析:两圆相切有内切与外切之分。
过点C 作AB CD ⊥于D ,易知543AB 22=+=,利用面积法可求得4.2CD =。
圆C 与直线AB 不相交,故圆C 的半径R 满足4.2R 0<<。
(1)当两圆内切时,如图16所示,则3AC R r ==-,故3R r +=满足4.5r 3<<;
(2)当两圆外切时,如图17所示,则R 3r -=,故3r 6.0<<。
例11. 半径分别为1cm 和2cm 的两圆外切,那么与这两个圆都相切且半径为3cm 的圆的个数有_______个。
A. 2个
B. 3个
C. 4个
D. 5个
解析:(1)所求圆与已知两圆外切时有2个,分别如图18、19所示;
(2)所求圆与一个已知圆内切、另一已知圆外切时各有1个,分别如图20、21所示;
(3)所求圆与两已知圆都内切时有1个,如图22所示。
综上可知,正确的答案为D 。
九. 其它因交待不明确而需要分类讨论的问题
例13. 已知点A 、B ,经过点A 、B 作圆,且半径为2cm 的圆有_________个。
解析:根据A 、B 两点的距离不同,应分三种情况讨论。
(1)cm 4AB >时,不存在合乎要求的圆;
(2)cm 4AB =时,以AB 为直径的圆是合乎要求的唯一的圆;
(3)cm 4AB <时,以在AB 的中垂线上且与点A 的距离为2的点圆心可作两个合乎要求的圆。