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5.3 切点弦方程

直线与圆的方程 · 高二
讲清楚它是什么

定义 过圆外一点引两条切线,连接两个切点所得直线段的方程。

从哪来 基于圆的标准方程、直线与圆相切的判定条件(圆心到直线距离等于半径)以及两点式直线方程。

为什么 设圆 $x^2+y^2=r^2$,切点为 $A(x_1,y_1), B(x_2,y_2)$。 因为 $OA \perp PA$ 且 $OB \perp PB$,所以 $O, A, P, B$ 四点共圆,且 $OP$ 为直径。 该辅助圆的方程为 $(x-\frac{x_0}{2})(x) + (y-\frac{y_0}{2})(y) = 0$,即 $x^2+y^2 - \frac{x_0}{2}x - \frac{y_0}{2}y = 0$。 切点弦 $AB$ 是原圆 $x^2+y^2=r^2$ 与辅助圆的公共弦。 两圆方程相减(消去二次项),得到 $-\frac{x_0}{2}x - \frac{y_0}{2}y = -r^2$,整理得 $x_0 x + y_0 y = 2r^2$。 这说明切点弦方程具有形式上的对称性,且系数由切点 $P(x_0, y_0)$ 决定。

几何直观法
适合视觉型/几何直觉强的学生。 1. 画图:画出圆 $O$,圆外点 $P$,切点 $A, B$。 2. 强调垂直:$\angle OAP = \angle OBP = 90^\circ$。 3. 引入辅助圆:以 $OP$ 为直径画圆,指出 $A, B$ 既在原圆上,也在辅助圆上。 4. 结论:切点弦就是两圆的公共弦。通过“两圆相减求公共弦”的代数技巧,快速导出方程。
代数推导法
适合逻辑严密/代数运算强的学生。 1. 设切线斜率为 $k$,写出过 $P(x_0, y_0)$ 的直线方程 $y-y_0=k(x-x_0)$。 2. 利用 $d=r$ 建立关于 $k$ 的一元二次方程,其两根 $k_1, k_2$ 对应两条切线。 3. 求出切点坐标 $(x_1, y_1)$ 和 $(x_2, y_2)$(过程较繁琐,略写)。 4. 利用韦达定理或对称性,直接验证 $x_0 x + y_0 y = r^2$ 满足切点坐标。 5. 强调:虽然推导复杂,但结果极其简洁,体现了“对称美”。
类比迁移法
适合善于归纳/记忆公式的学生。 1. 回顾:圆的切线方程。若 $P(x_0, y_0)$ 在圆上,切线为 $x_0 x + y_0 y = r^2$。 2. 类比:若 $P(x_0, y_0)$ 在圆外,方程 $x_0 x + y_0 y = r^2$ 依然成立,但几何意义变了。 3. 对比: - 点在圆上:方程表示切线。 - 点在圆外:方程表示切点弦。 4. 记忆口诀:“点在圆上切线方,点在圆外切点弦;形式相同意义变,对称结构记心间。”
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练一道
基础题
已知圆 $C: x^2 + y^2 = 4$,点 $P(3, 4)$ 在圆外,求过点 $P$ 的切点弦方程。
变式
已知圆 $C: (x-1)^2 + (y-2)^2 = 5$,点 $P(4, 5)$ 在圆外,求切点弦方程。
试试手自己判
检测题
已知圆 $x^2 + y^2 = 1$,点 $P(2, 0)$,求切点弦方程。
看答案和判分标准
答案:$2x = 1$ (或 $x = \frac{1}{2}$)
判对标准:
1. 学生正确识别 $r^2=1, x_0=2, y_0=0$。
2. 正确代入公式 $2x + 0y = 1$。
3. 最终化简为 $x = \frac{1}{2}$ 或 $2x - 1 = 0$ 均算对。
4. 若学生写出 $2x = 1$ 但未化简,算对。
5. 若学生写成 $x^2 + y^2 = 2x$ 或其他错误形式,算错。
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