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5. 圆幂定理

圆及其相关性质 · 初三
讲清楚它是什么

定义 从圆外一点引割线,该点到两交点距离之积为定值,等于该点切线长的平方。

从哪来 本知识点为初三几何起点,不依赖图谱中记录的前置知识,直接基于圆的基本性质(如垂径定理、勾股定理)及相似三角形判定进行推导。

为什么 核心逻辑是“相似三角形对应边成比例”。 设圆外一点 $P$,引两条割线 $PAB$ 和 $PCD$($A,C$ 为近点,$B,D$ 为远点)。 连接 $AC$ 和 $BD$。 因为 $\angle P$ 是公共角,且圆内接四边形 $ABDC$ 的外角 $\angle PAC$ 等于内对角 $\angle PDB$(或同弧所对圆周角相等推导),所以 $\triangle PAC \sim \triangle PDB$。 由相似得:$\frac{PA}{PD} = \frac{PC}{PB}$,即 $PA \cdot PB = PC \cdot PD$。 若其中一条割线退化为切线 $PT$($T$ 为切点),则 $PA$ 与 $PB$ 重合为 $PT$,故 $PT^2 = PA \cdot PB$。 这解释了为什么积是定值:它只取决于点 $P$ 到圆心的距离和半径,与割线方向无关。

直观演示法** **适合学生
空间想象力强、喜欢动手操作、对抽象符号敏感的学生。 操作: 1. 用圆规画一个圆,定点 $P$ 在圆外。 2. 用直尺过 $P$ 画一条割线,量出 $PA$ 和 $PB$,计算乘积 $S_1$。 3. 改变角度,再画一条割线,量出 $PC$ 和 $PD$,计算乘积 $S_2$。 4. 让学生发现 $S_1 \approx S_2$。 5. 再画一条切线,量出 $PT$,计算 $PT^2$,发现三者相等。 话术:“你看,不管你怎么转这把‘尺子’,只要它穿过圆,头尾两段长度的乘积就像被‘锁死’了一样,这个锁就是圆的‘权力’(Power)。”
代数推导法** **适合学生
逻辑严密、擅长计算、喜欢从公式出发理解几何的学生。 操作: 1. 建立坐标系,设圆心 $O(0,0)$,半径 $r$,点 $P(d,0)$,其中 $d > r$。 2. 设过 $P$ 的直线斜率为 $k$,方程为 $y = k(x-d)$。 3. 联立圆方程 $x^2 + y^2 = r^2$,消去 $y$ 得到关于 $x$ 的一元二次方程。 4. 利用韦达定理,求出两根 $x_1, x_2$ 的和与积。 5. 计算 $PA \cdot PB$。由于 $P$ 在圆外,$PA = \sqrt{1+k^2}|x_1 - d|$,$PB = \sqrt{1+k^2}|x_2 - d|$。 6. 最终化简发现 $PA \cdot PB = d^2 - r^2$,与 $k$ 无关。 话术:“你看,最后结果里 $k$ 消掉了,说明这个积只跟 $P$ 离圆心多远($d$)和圆多大($r$)有关,这就是‘定值’的代数本质。”
面积/力矩类比法** **适合学生
物理直觉好、喜欢跨学科联系、对纯几何证明感到枯燥的学生。 操作: 1. 引入“力矩”概念:力臂 $\times$ 力 = 力矩。 2. 类比:把 $P$ 点看作支点,割线看作杠杆。 3. 虽然这个类比不完全严谨(因为不是力),但可以借用“平衡”的思想:圆对 $P$ 点的“抵抗”是恒定的。 4. 更严谨的类比:考虑 $\triangle POA$ 和 $\triangle POB$ 的面积关系,或者利用余弦定理。 在 $\triangle POA$ 中,$OA^2 = OP^2 + PA^2 - 2 \cdot OP \cdot PA \cdot \cos \angle OPA$。 在 $\triangle POB$ 中,$OB^2 = OP^2 + PB^2 - 2 \cdot OP \cdot PB \cdot \cos \angle OPB$。 因为 $OA=OB=r$,$\angle OPA = \angle OPB$,两式相减可得 $PA \cdot PB = OP^2 - r^2$。 话术:“你可以把它想象成圆对点 $P$ 施加的一种‘势能’。$OP^2$ 是总能量,$r^2$ 是圆自身的能量,剩下的 $OP^2 - r^2$ 就是留给割线的‘乘积额度’。”
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练一道
基础题
如图,$P$ 是圆 $O$ 外一点,$PA$ 是切线,$A$ 为切点,$PBC$ 是割线,$B$ 在 $P, C$ 之间。已知 $PA = 6$,$PB = 4$,求 $PC$ 的长。
变式
如图,$P$ 是圆 $O$ 外一点,$PAB$ 和 $PCD$ 是两条割线,$A, C$ 为近点。已知 $PA = 3$,$PB = 12$,$PC = 4$,求 $CD$ 的长。
试试手自己判
检测题
已知圆 $O$ 的半径为 $5$,点 $P$ 到圆心 $O$ 的距离为 $13$。过 $P$ 作圆的两条割线,一条交圆于 $A, B$($A$ 近 $B$ 远),另一条交圆于 $C, D$($C$ 近 $D$ 远)。若 $PA = 4$,求 $PC$ 的长。
看答案和判分标准
答案:$PC = 9$ 或 $PC = 16$(需结合几何约束判断,通常取合理值,此处需进一步分析)。 修正:题目应给出更多约束或求 $PD$。 重新设计检测题: 已知圆 $O$ 半径 $r=5$,$P$ 到圆心距离 $OP=13$。过 $P$ 作割线 $PAB$,$A$ 为近点。若 $PA=4$,求 $PB$ 的长。
判对标准:
1. 学生能正确计算圆幂值:$OP^2 - r^2 = 13^2 - 5^2 = 169 - 25 = 144$。
2. 学生能建立等式:$PA \cdot PB = 144$。
3. 学生能代入 $PA=4$,解得 $PB = 144 / 4 = 36$? 等等,这里有个陷阱!
重新检查:
圆幂定理:$PA \cdot PB = OP^2 - r^2 = 144$。
如果 $PA=4$,则 $PB = 144 / 4 = 36$。
但是,我们需要验证 $PA=4$ 是否可能。
$P$ 到圆的最近距离是 $OP - r = 13 - 5 = 8$。
所以 $PA$ 最小为 $8$。
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