
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新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第4节 直线与圆、圆与圆的位置关系 (含解析)
展开第4节 直线与圆、圆与圆的位置关系
考试要求 1.能根据给定直线、圆的方程判断直线与圆、圆与圆的位置关系.2.能用直线和圆的方程解决一些简单的数学问题与实际问题.
1.直线与圆的位置关系
设圆C:(x-a)2+(y-b)2=r2,直线l:Ax+By+C=0,圆心C(a,b)到直线l的距离为d,由消去y(或x),得到关于x(或y)的一元二次方程,其判别式为Δ.
位置关系
相离
相切
相交
图形
量化
方程观点
Δ<0
Δ=0
Δ>0
几何观点
d>r
d=r
d
已知两圆C1:(x-x1)2+(y-y1)2=r,
C2:(x-x2)2+(y-y2)2=r,
则圆心距d=|C1C2|=.
则两圆C1,C2有以下位置关系:
位置关系
外离
内含
相交
内切
外切
圆心距
与半径
的关系
d>r1+r2
d<|r1-r2|
|r1-2|
d=r1+r2
图示
公切线条数
4
0
2
1
3
1.圆的切线方程常用结论
(1)过圆x2+y2=r2上一点P(x0,y0)的圆的切线方程为x0x+y0y=r2.
(2)过圆(x-a)2+(y-b)2=r2上一点P(x0,y0)的圆的切线方程为(x0-a)(x-a)+(y0-b)(y-b)=r2.
(3)过圆x2+y2=r2外一点M(x0,y0)作圆的两条切线,则两切点所在直线方程为x0x+y0y=r2.
2.直线被圆截得的弦长的求法
(1)几何法:运用弦心距d、半径r和弦长的一半构成的直角三角形,计算弦长|AB|=2.
(2)代数法:设直线y=kx+m与圆x2+y2+Dx+Ey+F=0相交于点M,N,将直线方程代入圆的方程中,消去y,得关于x的一元二次方程,求出xM+xN和xM·xN,则|MN|=·.
1.思考辨析(在括号内打“√”或“×”)
(1)“k=1”是“直线x-y+k=0与圆x2+y2=1相交”的必要不充分条件.( )
(2)如果两个圆的方程组成的方程组只有一组实数解,则两圆外切.( )
(3)如果两圆的圆心距小于两圆的半径之和,则两圆相交.( )
(4)过圆O:x2+y2=r2外一点P(x0,y0)作圆的两条切线,切点分别为A,B,则O,P,A,B四点共圆,且直线AB的方程是x0x+y0y=r2.( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√
解析 (1)“k=1”是“直线x-y+k=0与圆x2+y2=1相交”的充分不必要条件;(2)除外切外,还有可能内切;(3)两圆还可能内切或内含.
2.(多选)直线x-y+m=0与圆x2+y2-2x-1=0有两个不同交点的一个充分不必要条件是( )
A.0<m<1 B.-1<m<0
C.m<1 D.-3<m<1
答案 AB
解析 联立直线与圆的方程得
消去y,
得2x2+(2m-2)x+m2-1=0,
根据题意得Δ=(2m-2)2-8(m2-1)=-4(m+1)2+16>0,得-3<m<1.
∵{m|0<m<1}{m|-3<m<1},{m|-1<m<0}{m|-3<m<1},
∴0<m<1和-1<m<0都是直线与圆相交的充分不必要条件.
3.(多选)(2021·新高考Ⅱ卷)已知直线l:ax+by-r2=0与圆C:x2+y2=r2,点A(a,b),则下列说法正确的是( )
A.若点A在圆C上,则直线l与圆C相切
B.若点A在圆C内,则直线l与圆C相离
C.若点A在圆C外,则直线l与圆C相离
D.若点A在直线l上,则直线l与圆C相切
答案 ABD
解析 圆心C(0,0)到直线l的距离d=.
若点A(a,b)在圆C上,则a2+b2=r2,所以d==|r|,则直线l与圆C相切,故A正确;
若点A(a,b)在圆C内,则a2+b2
若点A(a,b)在圆C外,则a2+b2>r2,所以d=<|r|,则直线l与圆C相交,故C错误;
若点A(a,b)在直线l上,则a2+b2-r2=0即a2+b2=r2,所以d==|r|,直线l与圆C相切,故D正确.
4.两圆x2+y2-2y=0与x2+y2-4=0的位置关系是________.
答案 内切
5.直线l:3x-y-6=0与圆x2+y2-2x-4y=0相交于A,B两点,则|AB|=______.
答案
解析 由x2+y2-2x-4y=0得(x-1)2+(y-2)2=5,所以该圆的圆心坐标为(1,2),半径r=.
又圆心(1,2)到直线3x-y-6=0的距离为d==,由=r2-d2,得|AB|2=10,即|AB|=.
6.(2020·浙江卷)已知直线y=kx+b(k>0)与圆x2+y2=1和圆(x-4)2+y2=1均相切,则k=__________,b=__________.
答案 -
解析 如图,直线分别与两个半径相等的圆相切,由对称性可知,直线与x轴的交点为A(2,0).
由AB=2,BM=1,∠AMB=90°,得∠MAB=30°,
可得直线的斜率k=tan 30°=,
直线方程为y=(x-2)=x-,因此b=-.
考点一 直线与圆的位置关系
1.已知点M(a,b)在圆O:x2+y2=1外,则直线ax+by=1与圆O的位置关系是( )
A.相切 B.相交
C.相离 D.不确定
答案 B
解析 因为M(a,b)在圆O:x2+y2=1外,
所以a2+b2>1,而圆心O到直线ax+by=1的距离
d==<1.
所以直线与圆相交.
2.(多选)已知圆C:(x-1)2+(y-2)2=25,直线l:(2m+1)x+(m+1)y-7m-4=0.则以下几个命题正确的有( )
A.直线l恒过定点(3,1)
B.直线l与圆C相切
C.直线l与圆C恒相交
D.直线l与圆C相离
答案 AC
解析 将直线l的方程整理为x+y-4+m(2x+y-7)=0,
由解得
则无论m为何值,直线l过定点(3,1),故直线l与圆C恒相交,故AC正确.
3.若圆x2+y2=r2(r>0)上恒有4个点到直线l:x-y-2=0的距离为1,则实数r的取值范围是( )
A.(+1,+∞) B.(-1,+1)
C.(0,-1) D.(0,+1)
答案 A
解析 计算得圆心到直线l的距离为=>1,如图.
直线l:x-y-2=0与圆相交,l1,l2与l平行,且与直线l的距离为1,故可以看出,圆的半径应该大于圆心到直线l2的距离+1.
感悟提升 判断直线与圆的位置关系的常见方法
(1)几何法:利用d与r的关系.
(2)代数法:联立方程之后利用Δ判断.
(3)点与圆的位置关系法:若直线恒过定点且定点在圆内,可判断直线与圆相交.
考点二 圆的切线、弦长问题
角度1 圆的弦长问题
例1 (1)(多选)已知圆M的一般方程为x2+y2-8x+6y=0,则下列说法中正确的是( )
A.圆M的圆心为(4,-3)
B.圆M被x轴截得的弦长为8
C.过原点的最短弦长为8
D.圆M被y轴截得的弦长为6
答案 ABD
解析 圆M的一般方程为x2+y2-8x+6y=0,则(x-4)2+(y+3)2=25.圆的圆心坐标为(4,-3),半径为5.过原点的最短弦长为6,选项C不正确.ABD均正确.
(2)(2020·天津卷)已知直线x-y+8=0和圆x2+y2=r2(r>0)相交于A,B两点.若|AB|=6,则r的值为__________.
答案 5
解析 由题意知圆心为O(0,0),圆心到直线的距离d==4.取AB的中点M,连接OM(图略),则OM⊥AB.
在Rt△OMA中,r==5.
感悟提升 弦长的两种求法
(1)代数方法:将直线和圆的方程联立方程组,消元后得到一个一元二次方程.在判别式Δ>0的前提下,利用根与系数的关系,根据弦长公式求弦长.
(2)几何方法:若弦心距为d,圆的半径长为r,则弦长l=2.
角度2 圆的切线问题
例2 (1)过点P(2,4)引圆C:(x-1)2+(y-1)2=1的切线,则切线方程为________.
答案 x=2或4x-3y+4=0
解析 当直线的斜率不存在时,直线方程为x=2,此时,圆心到直线的距离等于半径,直线与圆相切,符合题意;当直线的斜率存在时,设直线方程为y-4=k(x-2),即kx-y+4-2k=0,∵直线与圆相切,∴圆心到直线的距离等于半径,即d===1,解得k=,
∴所求切线方程为x-y+4-2×=0,
即4x-3y+4=0.
综上,切线方程为x=2或4x-3y+4=0.
(2)点P为射线x=2(y≥0)上一点,过P作圆x2+y2=3的两条切线,若两条切线的夹角为90°,则点P的坐标为( )
A.(2,1) B.(2,2)
C.(2,) D.(2,0)
答案 C
解析 如图所示.
设切点为A,B,则OA⊥AP,OB⊥BP,OA=OB,AP=BP,AP⊥BP,
故四边形OAPB为正方形,则|OP|=,
又xP=2,则P(2,).
感悟提升 求过某点的圆的切线问题时,应首先确定点与圆的位置关系,再求切线方程.若点在圆上(即为切点),则过该点的切线只有一条;若点在圆外,则过该点的切线有两条,此时注意斜率不存在的切线.
训练1 (1)(2022·郑州调研)已知圆C:(x-1)2+(y+1)2=1与直线kx+y+1=0相交于A,B两点,若△CAB为等边三角形,则k的值为( )
A.± B.±2 C.± D.±
答案 A
解析 圆C:(x-1)2+(y+1)2=1的圆心为C(1,-1),半径为1,故|CB|=|CA|=1,又△CAB为等边三角形,所以点C到直线kx+y+1=0的距离为,即=,解得k=±,故选A.
(2)在圆x2+y2-2x-6y=0内,过点E(0,1)的最长弦和最短弦分别为AC和BD,则四边形ABCD的面积为______.
答案 10
解析 圆的标准方程为(x-1)2+(y-3)2=10,则圆心(1,3),半径r=,圆心(1,3)与E(0,1)距离=,由题意知AC⊥BD,且|AC|=2,|BD|=2=2,所以四边形ABCD的面积为S=|AC|·|BD|=×2×2=10.
(3)若一条光线从点(-2,-3)射出,经y轴反射后与圆(x+3)2+(y-2)2=1相切,则反射光线所在直线的斜率为________.
答案 -或-
解析 点A(-2,-3)关于y轴的对称点为A′(2,-3),
故可设反射光线所在直线的方程为
y+3=k(x-2),
化为kx-y-2k-3=0,
∵反射光线与圆(x+3)2+(y-2)2=1相切,
∴圆心(-3,2)到直线的距离
d==1.
化为24k2+50k+24=0,
∴k=-或k=-.
考点三 圆与圆的位置关系
例3 已知两圆x2+y2-2x-6y-1=0和x2+y2-10x-12y+m=0.求:
(1)m取何值时两圆外切?
(2)求m=45时两圆的公共弦所在直线的方程和公共弦的长.
解 两圆的标准方程分别为
(x-1)2+(y-3)2=11,(x-5)2+(y-6)2=61-m,
圆心分别为M(1,3),N(5,6),
半径分别为和.
(1)当两圆外切时,
=+.
解得m=25+10.
(2)两圆的公共弦所在直线的方程为
(x2+y2-2x-6y-1)-(x2+y2-10x-12y+45)=0,即4x+3y-23=0.
由圆的半径、弦长、弦心距间的关系,不难求得公共弦的长为
2×=2.
感悟提升 1.判断两圆的位置关系时常用几何法,即利用两圆圆心之间的距离与两圆半径之间的关系,一般不采用代数法.
2.若两圆相交,则两圆公共弦所在直线的方程可由两圆的方程作差消去x2,y2项得到.
训练2 (1)已知圆M:x2+y2-2ay=0(a>0)截直线x+y=0所得线段的长度是2,则圆M与圆N:(x-1)2+(y-1)2=1的位置关系是( )
A.内切 B.相交 C.外切 D.相离
答案 B
解析 由题意得圆M的标准方程为x2+(y-a)2=a2,圆心(0,a)到直线x+y=0的距离d=,
所以2=2,解得a=2,圆M,圆N的圆心距|MN|=,小于两圆半径之和1+2,大于两圆半径之差1,故两圆相交.
(2)已知圆C1:x2+y2+2x+2y-8=0与圆C2:x2+y2-2x+10y-24=0相交于A,B两点.公共弦|AB|的长为________,经过A,B两点且面积最小的圆的方程为________.
答案 2 (x+2)2+(y-1)2=5
解析 两圆的方程作差可得x-2y+4=0.
∴圆C1与圆C2的公共弦AB所在的直线方程为x-2y+4=0,
联立
解得或
不妨设A(-4,0),B(0,2),
∴|AB|==2,
以AB为直径的圆即为面积最小的圆.
∴(x+2)2+(y-1)2=5.
阿波罗尼斯圆
到两定点距离之比等于已知数的动点轨迹为直线或圆.点A,B为两定点,动点P满足|PA|=λ|PB|.
则λ=1时,动点P的轨迹为直线;当λ>0且λ≠1时,动点P的轨迹为圆,后世称之为阿波罗尼斯圆.
例 (1)已知点M与两个定点O(0,0),A(3,0)的距离之比为,求点M的轨迹方程.
解 如图所示,设动点M(x,y),连接MO,MA,有|MA|=2|MO|,
即
=2,
化简得x2+y2+2x-3=0,
即(x+1)2+y2=4①,
则方程①即为所求点M的轨迹方程,它表示以C(-1,0)为圆心,2为半径的圆.
(2)在平面直角坐标系xOy中,点A(0,3),直线l:y=2x-4.设圆C的半径为1,圆心在l上.若圆C上存在点M,使|MA|=2|MO|,求圆心C的横坐标a的取值范围.
解 点C在直线l:y=2x-4上,故设C的坐标为(a,2a-4).
因为半径r1=1,所以圆C的方程是(x-a)2+[y-(2a-4)]2=1.
设点M(x,y),则由|MA|=2|MO|可得点M的轨迹正是阿波罗尼斯圆D,
即=2,
化简整理得x2+(y+1)2=4.
所以点M(x,y)在以D(0,-1)为圆心,r2=2为半径的圆上.
又点M(x,y)在圆C上,所以两圆有公共点的条件是|r1-r2|≤|DC|≤|r1+r2|,
即1≤5a2-12a+9≤9,解得0≤a≤.
即a的取值范围是.
1.直线l:mx-y+1-m=0与圆C:x2+(y-1)2=5的位置关系是( )
A.相交 B.相切 C.相离 D.不确定
答案 A
解析 由题意知,圆心(0,1)到直线l的距离d=<1<,故直线l与圆相交.
2.圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2-4y=0的位置关系是( )
A.相离 B.相交 C.外切 D.内切
答案 B
解析 圆O1的圆心坐标为(1,0),半径长r1=1,圆O2的圆心坐标为(0,2),半径长r2=2,所以两圆的圆心距d=,而r2-r1=1,r1+r2=3,则有r2-r1<d<r1+r2,所以两圆相交.
3.过点(3,1)作圆(x-1)2+y2=r2的切线有且只有一条,则该切线的方程为( )
A.2x+y-5=0 B.2x+y-7=0
C.x-2y-5=0 D.x-2y-7=0
答案 B
解析 过点(3,1)作圆(x-1)2+y2=r2的切线有且只有一条,
∴点(3,1)在圆(x-1)2+y2=r2上,
连接圆心与切点连线的斜率为k==,
∴切线的斜率为-2,则圆的切线方程为y-1=-2(x-3),
即2x+y-7=0.
4.(2022·济南外国语学校高三测试)已知圆C:x2+y2-2x+4y=0关于直线3x-2ay-11=0对称,则圆C中以为中点的弦长为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
答案 D
解析 依题意可知直线过圆心(1,-2),即3+4a-11=0,a=2,故即为(1,-1),
圆方程配方得(x-1)2+(y+2)2=5.
(1,-1)与圆心距离为1,故弦长为2=4.
5.(多选)(2022·福州调研)已知直线l与圆C:x2+y2+2x-4y+a=0相交于A,B两点,弦AB的中点为M(0,1),则下列结论正确的是( )
A.实数a的取值范围为a<3
B.实数a的取值范围为a<5
C.直线l的方程为x+y-1=0
D.直线l的方程为x-y+1=0
答案 AD
解析 若弦AB的中点为M(0,1),则点M(0,1)一定在圆内,且方程表示圆,
即得a<3,故A正确;
由圆的方程得,圆心坐标为C(-1,2),
又M(0,1),则kCM=-1,则kAB=1,
由点斜式得,直线l的方程为y-1=x,
即x-y+1=0,故D正确.
6.(多选)已知圆C:(x-1)2+(y-2)2=25,直线l:y-1=k(x-3).则以下几个命题正确的有( )
A.直线l恒过定点(3,1)
B.圆C被y轴截得的弦长为4
C.直线l与圆C相交或相切
D.直线l被圆C截得弦长最短时,直线l的方程为2x-y-5=0
答案 ABD
解析 直线l:y-1=k(x-3)恒过D(3,1),A正确;
对于B,令x=0,则(y-2)2=24,解得y=2±2,故圆C被y轴截得弦长为4,故B正确;
对于C,因为(3-1)2+(1-2)2=5<25,则点D在圆C内部,直线l与圆C相交,故C不正确;
对于D,圆心C(1,2),半径为5,|CD|=,当截得的弦长最小时,l⊥CD,由于kCD=-,则l的斜率为2,此时直线的方程为y-1=2(x-3),即2x-y-5=0,故D正确.
7.圆x2+y2-4=0与圆x2+y2-4x+4y-12=0的公共弦长为________.
答案 2
解析 由得两圆公共弦所在直线方程x-y+2=0.又圆x2+y2=4的圆心到直线x-y+2=0的距离为=.由勾股定理得弦长的一半为=,所求弦长为2.
8.(2021·海南三模)已知点P(1,2)和圆C:x2+y2+kx+2y+k2=0,过点P作圆C的切线有两条,则实数k的取值范围是________.
答案
解析 因为C:x2+y2+kx+2y+k2=0为圆,所以k2+4-4k2>0,解得-
答案 8
解析 圆C1:x2+y2=1的圆心为C1(0,0),半径r1=1,圆C2:(x-3)2+(y+4)2=4的圆心为C2(3,-4),半径r2=2,
∴|C1C2|=5.
又A为圆C1上的动点,B为圆C2上的动点,
∴线段AB长度的最大值是|C1C2|+r1+r2=5+1+2=8.
10.已知圆C:(x-1)2+(y+2)2=10,求满足下列条件的圆的切线方程;
(1)与直线l1:x+y-4=0平行;
(2)与直线l2:x-2y+4=0垂直;
(3)过切点A(4,-1).
解 (1)设切线方程为x+y+b=0(b≠-4),
则=,∴b=1±2,
∴切线方程为x+y+1±2=0.
(2)设切线方程为2x+y+m=0,
则=,∴m=±5,
∴切线方程为2x+y±5=0.
(3)∵kAC==,
∴过切点A(4,-1)的切线斜率为-3,
∴过切点A(4,-1)的切线方程为y+1=-3(x-4),
即3x+y-11=0.
11.(2022·重庆调研)已知A(2,0),直线4x+3y+1=0被圆C:(x+3)2+(y-m)2=13(m<3)所截得的弦长为4,且P为圆C上任意一点.
(1)求|PA|的最大值与最小值;
(2)圆C与坐标轴相交于三点,求以这三个点为顶点的三角形的内切圆的半径.
解 (1)∵直线4x+3y+1=0
被圆C: (x+3)2+(y-m)2=13(m<3)所截得的弦长为4,∴圆心到直线的距离
d===1.
∵m<3,∴m=2,
∴|AC|==,
∴|PA|的最大值与最小值分别为
+,-.
(2)由(1)可得圆C的方程为(x+3)2+(y-2)2=13,令x=0,得y=0或4;令y=0,得x=0或-6,
∴圆C与坐标轴相交于三点M(0,4),O(0,0),N(-6,0),∴△MON为直角三角形,斜边|MN|=2,∴△MON内切圆的半径为=5-.
12.(多选)(2021·新高考Ⅰ卷)已知点P在圆(x-5)2+(y-5)2=16上,点A(4,0),B(0,2),则( )
A.点P到直线AB的距离小于10
B.点P到直线AB的距离大于2
C.当∠PBA最小时,|PB|=3
D.当∠PBA最大时,|PB|=3
答案 ACD
解析 设圆(x-5)2+(y-5)2=16的圆心为M(5,5),由题意知直线AB的方程为+=1,即x+2y-4=0,则圆心M到直线AB的距离d==>4,所以直线AB与圆M相离,所以点P到直线AB的距离的最大值为4+d=4+,又4+<5+=10,故A正确;
易知点P到直线AB的距离的最小值为d-4=-4,又-4<-4=1,故B不正确;
过点B作圆M的两条切线,切点分别为N,Q,如图所示,连接MB,MN,MQ,则当∠PBA最小时,点P与N重合,|PB|===3;当∠PBA最大时,点P与Q重合,|PB|=3,故C,D都正确.综上,选ACD.
13.(2022·长沙调研)在平面直角坐标系xOy中,若圆C1:x2+(y-1)2=r2(r>0)上存在点P,且点P关于直线x-y=0的对称点Q在圆C2:(x-2)2+(y-1)2=1上,则r的取值范围是________.
答案 [-1,+1]
解析 圆C1关于直线x-y=0对称的圆C3的方程为(x-1)2+y2=r2(r>0),则圆C3与圆C2存在公共点,所以|r-1|≤≤r+1,所以r∈[-1,+1].
14.已知抛物线P:y2=2px(p>0)上的点到其焦点的距离为1.
(1)求p和a的值;
(2)设直线l:y=x+m交抛物线P于两点A、B,线段AB的垂直平分线交抛物线P于两点C、D,求证A、B、C、D四点共圆.
(1)解 y2=2px的准线为x=-,因为点到其焦点的距离等于该点到准线距离,
所以+=1,故p=,即y2=x,又在y2=x上,所以a=±.
(2)证明 设A(x1,y1),B(x2,y2),联立得y2-y+m=0,
则y1+y2=1,y1·y2=m,
且1-4m>0,即m<,
则|AB|=|y1-y2|=,
且线段AB中点的纵坐标为=,
则x=-m,
所以线段AB中点为M,
因为直线CD为线段AB的垂直平分线,直线CD的方程为y=-x+1-m,
联立
得y2+y+m-1=0,
设C(x3,y3),D(x4,y4),
则y3+y4=-1,y3·y4=m-1,
故|CD|=|y3-y4|=,
线段CD中点为N,
因为=(10-8m)=,
|AN|2=|AM|2+|MN|2=+2=,
所以|AN|=|CD|,
所以点A在以CD为直径的圆上,同理点B在以CD为直径的圆上,所以A、B、C、D四点共圆.
新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第8节 抛物线 (含解析): 这是一份新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第8节 抛物线 (含解析),共21页。试卷主要包含了抛物线的标准方程与几何性质,已知O为坐标原点,抛物线C,直线l过抛物线C等内容,欢迎下载使用。
新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第7节 直线与椭圆、双曲线 (含解析): 这是一份新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第7节 直线与椭圆、双曲线 (含解析),共18页。试卷主要包含了设双曲线C,过双曲线C,已知F1,F2为椭圆C等内容,欢迎下载使用。
新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第6节 双曲线 (含解析): 这是一份新高考数学一轮复习课时过关练习第08章 平面解析几何第6节 双曲线 (含解析),共24页。试卷主要包含了双曲线的标准方程和几何性质,双曲线的焦点到渐近线的距离为b,焦点三角形的面积,已知双曲线C等内容,欢迎下载使用。