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6.2 弦长公式

椭圆的定义、标准方程与性质 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用圆心到直线距离、半径及半弦长构成的直角三角形,推导出的计算直线截圆所得弦长的公式。

从哪来 本知识点建立在 4.1 圆的标准方程(确定圆心与半径)、3.1 点到直线的距离(计算圆心到直线的距离 $d$)以及 1.2 直线方程的五种形式(将直线化为一般式以便代入距离公式)之上。

为什么 核心逻辑是勾股定理的几何应用。 在圆中,圆心 $O$ 到弦 $AB$ 的垂线段 $OM$ 平分弦 $AB$(垂径定理)。 由此构成直角三角形 $\triangle OMA$,其中: 1. 斜边 $OA$ 为圆的半径 $r$; 2. 直角边 $OM$ 为圆心到直线的距离 $d$; 3. 直角边 $AM$ 为半弦长 $\frac{1}{2}|AB|$。 根据勾股定理:$r^2 = d^2 + (\frac{1}{2}|AB|)^2$。 移项变形得:$(\frac{1}{2}|AB|)^2 = r^2 - d^2$,即 $|AB| = 2\sqrt{r^2 - d^2}$。 这就是弦长公式的本质:它是勾股定理在圆这一特定几何图形中的代数表达。

几何直观法** **适合学生类型
空间想象力强、偏好图形理解、对纯代数推导感到枯燥的学生。 讲解步骤: 1. 画一个圆,画一条割线,标出圆心 $O$、弦端点 $A, B$。 2. 过 $O$ 作 $AB$ 的垂线,垂足为 $M$。 3. 强调“垂径定理”:$M$ 是 $AB$ 中点,所以 $AM = \frac{1}{2}AB$。 4. 连接 $OA$,指出 $\triangle OMA$ 是直角三角形。 5. 直接套用勾股定理:$AM^2 + OM^2 = OA^2$。 6. 代入符号:$(\frac{L}{2})^2 + d^2 = r^2$,解出 $L$。 重点:让学生看到公式不是凭空出现的,而是“半径、距离、半弦”构成的直角三角形。
代数推导法** **适合学生类型
逻辑严密、喜欢从定义出发、擅长代数运算的学生。 讲解步骤: 1. 设直线方程 $Ax+By+C=0$,圆方程 $(x-a)^2+(y-b)^2=r^2$。 2. 联立方程组,消元得到一个关于 $x$(或 $y$)的一元二次方程 $Ax^2+Bx+C=0$。 3. 利用韦达定理求出 $x_1+x_2$ 和 $x_1x_2$。 4. 利用弦长公式的代数形式 $|AB| = \sqrt{1+k^2}|x_1-x_2| = \sqrt{1+k^2}\sqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}$。 5. 对比:指出这种方法计算量大,容易出错。 6. 引入优化:既然几何法更简洁,我们能否把几何量转化为代数量? 7. 圆心 $(a,b)$ 到直线 $Ax+By+C=0$ 的距离 $d = \frac{|Aa+Bb+C|}{\sqrt{A^2+B^2}}$。 8. 代入几何弦长公式 $L = 2\sqrt{r^2 - d^2}$。 重点:通过对比两种方法的计算复杂度,让学生理解为何“几何法”在求弦长时是首选策略。
错题反思法** **适合学生类型
基础薄弱、容易混淆概念、需要明确边界条件的学生。 讲解步骤: 1. 提问:如果直线和圆没有交点,还能用这个公式吗? 2. 分析:公式中有 $\sqrt{r^2 - d^2}$。如果 $d > r$,根号下为负数,无意义。 3. 结论:使用弦长公式前,必须先判断直线与圆的位置关系($\Delta > 0$ 或 $d < r$)。 4. 提问:如果直线过圆心呢? 5. 分析:此时 $d=0$,公式变为 $L = 2\sqrt{r^2} = 2r$,即直径。符合逻辑。 6. 总结:公式适用条件是“直线与圆相交”。 重点:强化“先判位置,再算长度”的解题习惯,避免盲目套公式导致无解或错误。
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练一道
基础题
已知圆 $C: x^2 + y^2 - 4x - 2y + 1 = 0$,直线 $l: x - y - 1 = 0$。求直线 $l$ 被圆 $C$ 截得的弦长。
变式
已知圆 $C: x^2 + y^2 = 4$,直线 $l: 3x + 4y - 5 = 0$。求直线 $l$ 被圆 $C$ 截得的弦长。
看解答过程
1. 整理圆的方程: 配方得 $(x-2)^2 + (y-1)^2 = 4$。 圆心 $O(2, 1)$,半径 $r = 2$。 2. 计算圆心到直线的距离 $d$: 直线方程为 $x - y - 1 = 0$。 $d = \frac{|1\times2 + (-1)\times1 - 1|}{\sqrt{1^2 + (-1)^2}} = \frac{|2 - 1 - 1|}{\sqrt{2}} = \frac{0}{\sqrt{2}} = 0$。 3. 判断位置关系: $d = 0 < r = 2$,直线过圆心,相交。 4. 计算弦长: 因为直线过圆心,弦长即为直径。 或者代入公式:$L = 2\sqrt{r^2 - d^2} = 2\sqrt{2^2 - 0^2} = 2\times2 = 4$。
试试手自己判
检测题
若直线 $x + y - 2 = 0$ 截圆 $(x-1)^2 + (y-1)^2 = 2$ 所得的弦长为 $L$,求 $L$ 的值。
看答案和判分标准
答案:$2$
判对标准:
1. 正确识别圆心 $(1,1)$ 和半径 $r=\sqrt{2}$。(1分)
2. 正确计算圆心到直线距离 $d = \frac{|1+1-2|}{\sqrt{1^2+1^2}} = 0$。(1分)
3. 正确判断直线过圆心,弦长为直径 $2r$。(1分)
4. 最终结果 $L = 2\sqrt{2} \times \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}}$? 不,直接 $2r = 2\sqrt{2}$?
*等等,重新检查计算*:
圆:$(x-1)^2 + (y-1)^2 = 2 \Rightarrow r = \sqrt{2}$。
直线:$x+y-2=0$。
圆心 $(1,1)$ 代入直线:$1+1-2=0$,说明圆心在直线上。
所以弦长是直径 $2r = 2\sqrt{2}$。
*修正答案*:$2\sqrt{2}$。

修正后的判对标准:
1. 正确识别圆心 $(1,1)$ 和半径 $r=\sqrt{2}$。
2. 正确判断圆心在直线上(或算出 $d=0$)。
3. 得出弦长为直径 $2r$。
4. 最终答案为 $2\sqrt{2}$。
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