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三、弦长公式

圆的方程及直线与圆的位置关系 · 高一
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 直线被圆锥曲线截得的线段长度,通过联立方程组及韦达定理推导出的计算式。

从哪来 建立在“三、交点”(确定直线与曲线有公共点)和“一、两点间距离”(线段长度的几何本质)之上。

为什么 直接求交点坐标往往涉及复杂的根式运算,极易出错且繁琐。利用韦达定理,将 $x_1+x_2$ 和 $x_1x_2$ 整体代入距离公式 $|AB| = \sqrt{(x_1-x_2)^2 + (y_1-y_2)^2}$,结合直线斜率 $k$ 的关系 $y_1-y_2 = k(x_1-x_2)$,可将长度计算转化为关于 $x$ 的一元二次方程系数运算,实现“以算代求”。

讲法
适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生 从两点间距离公式出发,逐步推导: 1. 设交点 $A(x_1, y_1), B(x_2, y_2)$。 2. $|AB| = \sqrt{(x_1-x_2)^2 + (y_1-y_2)^2}$。 3. 因为点在直线上,$y_1-y_2 = k(x_1-x_2)$。 4. 代入得 $|AB| = \sqrt{(x_1-x_2)^2 + k^2(x_1-x_2)^2} = \sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|$。 5. 利用韦达定理 $|x_1-x_2| = \sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2}$。 6. 最终公式:$|AB| = \sqrt{1+k^2}\sqrt{\Delta}/|a|$(其中 $\Delta$ 为判别式,$a$ 为二次项系数)。
讲法
适合:直观思维强、喜欢几何画板演示的学生 强调“投影”思想。弦长 $|AB|$ 在 $x$ 轴上的投影长度为 $|x_1-x_2|$。根据直角三角形关系,斜边(弦长)等于邻边(投影长)除以 $\cos\theta$($\theta$ 为直线倾斜角)。即 $|AB| = |x_1-x_2| / \cos\theta$。由于 $\sec\theta = \sqrt{1+k^2}$,故 $|AB| = \sqrt{1+k^2}|x_1-x_2|$。这种方法让学生理解为什么会有 $\sqrt{1+k^2}$ 这个系数。
适合:基础薄弱、容易混淆公式的学生** 口诀记忆法:“一联二判三韦达,四代公式五开方”。 1. **联
联立直线与曲线方程,整理成 $ax^2+bx+c=0$。 2. 判:检查 $\Delta > 0$(确保有两个交点)。 3. 韦:写出 $x_1+x_2 = -b/a, x_1x_2 = c/a$。 4. 代:代入 $|AB| = \sqrt{1+k^2}\sqrt{(x_1+x_2)^2 - 4x_1x_2}$。 5. 方:计算结果。 特别强调:如果直线垂直于 $x$ 轴(斜率不存在),直接用 $|y_1-y_2|$ 计算,此时公式变为 $|AB| = \sqrt{1+(1/k)^2}|y_1-y_2|$ 或直接求纵坐标差。
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练一道
基础题
直线 $y=x+1$ 与圆 $x^2+y^2=4$ 相交于 $A, B$ 两点,求弦长 $|AB|$。
变式
过椭圆 $\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{3} = 1$ 左焦点 $F_1$ 的直线 $l$ 交椭圆于 $A, B$ 两点,若直线 $l$ 的斜率为 $1$,求 $|AB|$。
试试手自己判
检测题
直线 $y=2x-1$ 与抛物线 $y^2=4x$ 交于 $A, B$ 两点,求 $|AB|$。
看答案和判分标准
答案:$\frac{15}{2}$
判对标准:
1. 联立得到 $4x^2-12x+1=0$(2分)。
2. 正确计算 $\Delta = 144-16=128$(1分)。
3. 正确代入公式 $|AB| = \sqrt{1+2^2}\frac{\sqrt{128}}{4} = \sqrt{5} \cdot \frac{8\sqrt{2}}{4} = 2\sqrt{10}$? 等等,让我重新算一下。
联立:$(2x-1)^2=4x \Rightarrow 4x^2-4x+1=4x \Rightarrow 4x^2-8x+1=0$。
$x_1+x_2=2, x_1x_2=1/4$。
$|AB| = \sqrt{1+4}\sqrt{2^2 - 4(1/4)} = \sqrt{5}\sqrt{4-1} = \sqrt{5}\cdot\sqrt{3} = \sqrt{15}$。
修正答案:$\sqrt{15}$。
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