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3. 圆心角、弧、弦、弦心距的关系

圆及其相关性质 · 初三
讲清楚它是什么

定义 在同圆或等圆中,圆心角、弧、弦、弦心距四者中,若有一组量相等,则其余各组量也分别相等。

从哪来 本知识点是初三圆章节的起始核心,不依赖其他前置知识点,直接基于圆的定义及基本性质构建。

为什么 圆的旋转不变性是根本原因。圆绕圆心旋转任意角度后与自身重合,这意味着圆上的点、弧、弦在旋转下保持相对位置关系不变。 1. 全等三角形推导:连接圆心与弦的端点,构成两个等腰三角形。若圆心角相等,根据SAS可证三角形全等,从而弦长相等;若弦长相等,根据SSS可证三角形全等,从而圆心角相等。 2. 对称性推导:垂直于弦的直径平分弦及其所对的弧。弦心距是圆心到弦的垂线段,在等腰三角形中,底边上的高(弦心距)也是中线。因此,弦长、弦心距、圆心角通过等腰三角形的性质紧密绑定。 简言之,这四个量都是描述“圆上某一段”大小的不同维度,它们本质上是同一个几何对象的不同投影,因此一一对应。

直观演示法** **适合学生
形象思维强、抽象逻辑稍弱的学生。 操作:准备一个可旋转的圆形硬纸板,中心固定一个指针(代表半径)。 1. 让学生转动指针,观察指针扫过的角度(圆心角)、边缘走过的距离(弧)、两端点连线(弦)的变化。 2. 强调:只要角度固定,无论转到哪里,弦长、弧长、弦心距都不变。 3. 结论:这四个量是“锁死”的,知一知三。
逻辑推导法** **适合学生
逻辑严密、喜欢证明过程的学生。 操作: 1. 画出圆O,弦AB,弦心距OD。 2. 证明:若 $\angle AOB = \angle A'O'B'$,则 $\triangle AOB \cong \triangle A'O'B'$ (SAS),故 $AB=A'B'$。 3. 由全等知对应高相等,即弦心距 $OD=O'D'$。 4. 由圆的定义知,等弦对等弧。 5. 反向同理可证。 重点强调:必须强调“同圆或等圆”这一前提,否则半径不同,角度相同弦长也不同。
代数建模法** **适合学生
擅长计算、喜欢公式化记忆的学生。 操作: 设半径为 $R$,圆心角为 $\theta$(弧度制)。 1. 弦长 $L = 2R \sin(\theta/2)$ 2. 弦心距 $d = R \cos(\theta/2)$ 3. 弧长 $S = R\theta$ 展示:当 $R$ 固定时,$\theta$ 是唯一变量。$\theta$ 确定,$L, d, S$ 随之唯一确定。 通过函数单调性说明:在 $0 < \theta < \pi$ 范围内,$\theta$ 越大,$L$ 越大,$d$ 越小,$S$ 越大。这解释了为什么它们是一一对应的。
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练一道
基础题
已知在 $\odot O$ 中,弦 $AB = CD$,求证:$\angle AOB = \angle COD$。
变式
在 $\odot O$ 中,弦 $AB$ 和 $CD$ 所对的圆心角分别为 $60^\circ$ 和 $120^\circ$,若 $AB$ 的弦心距为 $2\sqrt{3}$,求 $CD$ 的弦心距。
试试手自己判
检测题
在 $\odot O$ 中,已知弦 $AB$ 所对的圆心角为 $90^\circ$,弦 $CD$ 所对的圆心角为 $120^\circ$。若 $AB$ 的弦心距为 $a$,则 $CD$ 的弦心距为多少?(用含 $a$ 的式子表示)
看答案和判分标准
答案:$\frac{\sqrt{3}}{3}a$ 或 $\frac{a}{\sqrt{3}}$
判对标准:
1. 学生能正确设半径 $R$。
2. 能列出 $a = R \sin(45^\circ) = \frac{\sqrt{2}}{2}R$。
3. 能列出 $d = R \cos(60^\circ) = \frac{1}{2}R$。
4. 能正确消去 $R$,得出 $d = \frac{1/2}{\sqrt{2}/2} a = \frac{1}{\sqrt{2}} a$? 等等,重新计算:
$AB$ 对应 $90^\circ$,半角 $45^\circ$。$d_1 = R \cos(45^\circ) = \frac{\sqrt{2}}{2}R = a \Rightarrow R = \sqrt{2}a$。
$CD$ 对应 $120^\circ$,半角 $60^\circ$。$d_2 = R \cos(60^\circ) = \frac{1}{2}R$。
代入 $R$:$d_2 = \frac{1}{2} (\sqrt{2}a) = \frac{\sqrt{2}}{2}a$。

修正答案:$\frac{\sqrt{2}}{2}a$
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