小组探究,探出圆的“弦”外之音

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  【中图分类号】G633.6 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2015)27-0118-02
  在上一次的月考中,有这样一道填空题,大部分学生面对此类型束手无策,月考后我引导学生对此类型题进行小组探究,全面、深入研究,总结解题方法与规律,多角度地分析、解决问题,学生的能力不断被挖掘、激发出来。
  例题:过点G(1,3)作两条与圆C:x +y =9 相切的直线,切点分别为M,N.求直线MN的方程。
  分析:此类问题属于圆的切点弦问题,教学中,我将学生分成6个小组,学生在我的引导下进行探究,同时引导学生进行总结。
  引导一、探究求点M,N的坐标的方法
  小组1、2分别讨论:要求出点M,N的坐标,可先求出点M,N的横坐标;根据点M,N的形成过程,可先求出直线GM,GN的方程,再联立方程组求解;如何求直线GM,GN的方程?已知经过点G(1,3),只要求出直线GM,GN的斜率即可;直线的GM,GN的斜率一定存在?不一定,需对它进行討论。现在的关键问题是求直线GM,GN的斜率。
  理清思路:求直线GM,GN的斜率(讨论是否存在)?圯直线GM,GN的方程?圯联立方程组,求出点M,N的横坐标?圯求出点M,N的坐标?圯由两点式求出直线MN的方程
  小组1、2合作讨论:求直线GM,GN的斜率有哪些方法?
  解法一:利用圆心到切线的距离等于半径求直线GM,GN的斜率
  当切线的斜率存在时,假设为 k,(当斜率不存在时,切线方程为x=1),则过点G(1,3)的切线方程为:y-1=k(x-3)
  即kx-y+3-k=0
  由圆心C(0,0)到切线kx-y+3-k=0的距离等于圆的半径3,得
   (1)
  由(1)式得k=0或k=-
  所以切线GM、GN的方程分别为:y=3和3x+4y-15=0 。
  从而可得切点 M(0,3)、N( , ),再根据两点式方程得直线AB的方程为:x+3y-9=0。
  解法二:利用判别式法求直线GM,GN的斜率
  当切线的斜率存在时,假设为 k,(当斜率不存在时,切线方程为x=1)。则过点G(1,3)的切线方程为:y-1=k(x-3)
  即kx-y+3-k=0
  由kx-y+3-k=0x +y =9,消去y并整理得
  (1+k )x +(6k-2k )x+(k -6k)=0   (2)
  令 △=(6k-2k ) -4(1+k )(k -6k)=0   (3)
  由(3)式得k=0或k=-
  将k=0或k=- 分别代入(1)式解得x=0,x=
  从而可得切点 M(0,3)、N( , ),
  再根据两点式方程得直线MN的方程为:x+3y-9=0。
  注:此题解出两个k的值,说明当斜率不存在时的情况不成立。
  引导二、能否直接求出直线MN的斜率?
  小组3、4分别讨论:在不知点M,N坐标的情况下要求出直线的斜率,可以考虑此直线与其它直线的位置关系来解决。
  解法三:利用垂直关系求直线MN的斜率
  因为点G(1,3),C(0,0),所以直线GC的斜率kGC=3,又因为GC⊥MN,所以直线MN的斜率kMN=- 。同理求出M,N其中一点的坐标,再利用点斜式方程即可求得。
  引导三、探究不求点M,N的坐标的方法
  小组3、4分别讨论:不求切点M,N的坐标而要求出直线MN的方程,MN作为圆C的一条弦,根据弦的形成原理,可以利用两个圆相交形成;现已知圆C的方程,如何造构另一个圆的方程?另一圆必与圆C交于M,N两点,即此圆经过点M,N。
  理清思路:造构另一个圆的方程:经过M,N两点?圯与圆C的方程联立,两圆相减?圯直线MN的方程
  小组3、4合作讨论:如何求经过两点M,N的另一圆的方程?
  解法四:将切点弦转化为两相交圆的公共弦探究一
  由于|GM|=|GN|,所以直线MN就是经过以G(1,3)为圆心,|GM|为半径的圆P与圆C:x +y =9 的交点的直线,在直角三角形GMC中,|GM|= =1
  所以圆P的方程为(x-1) +(y-3) =1,化为一般方程为:
  x +y -2x-6y+9=0   (4)
  又因为圆C: x +y =9   (5)
  (5)-(4)得两圆的公共弦所在的直线方程为x+3y-9=0
  即 所求直线MN的方程为:x+3y-9=0。
  引导四、可否以GC为直径作圆?
  小组3、4讨论:若以GC为直径作圆,取线段GC的中点P,则圆P首先必过点C,为何圆P也必过点M,N?连接线段MC,NC,GC即可发现秘密。
  解法五:将切点弦转化为两相交圆的公共弦探究二
  因为GM⊥CM,GN⊥CN,所以G、M、C、N四点共圆,线段GC的中点为P,因为 G(1,3),C(0,0),所以P( , ),半径|PC|=
  因此,圆P的方程为:(x- ) +(y- ) = ,
  即圆P: x  +y -x-3y=0   (6)
  又因为圆C: x +y =9   (7)
  (7)-(6)得两圆的公共弦所在的直线方程为x+3y-9=0
  即 所求直线MN的方程为:x+3y-9=0。
  引导五、若给出以下推论1,能否利用结论求出切点弦方程?   推论1:过圆x +y +Dx+Ey+F=0 (D +E -4F>0)外一点P(x ,y )作圆的两条切线PA、PB,则切点弦AB所在直线的方程为:(x -a)(x-a)+(y -b)(y-b)=r (在圆的标准方程下的形式);xx +yy +D +E +F=0(在圆的一般方程下的形式)。
  小组5、6分别讨论:利用推论,对原推论进行变换,注意点及坐标的转化。
  解法六:利用推论1
  因为G(1,3)是圆x +y -9=0外一点,过G作圆的两点切线GM、GN,根据切点弦所在直线的方程xx +yy +D +E +F=0得1·x+3·y-0· -0· -9=0
  整理得,直线MN的方程为:x+3y-9=0。
  引导六、若给出以下推论2,能否利用结论求出切点弦方程?
  推论2:在标准方程(x-a) +(y-b) =r 下过圆上一点P(x ,y )的切线方程为:(x -a)(x-a)+(y -b)(y-b)=r ;
  在一般方程x +y +Dx+Ey+F=0(D +E -4F>0) 下过圆上一点P(x ,y )的切线方程为:
  xx +yy +D +E +F=0
  小组5、6分别讨论:利用推论,对原推论进行变换,注意点及坐标的转化。
  解法七:利用推论2
  设切点M、N的坐标分别为(x ,y )、(x ,y ),根据过圆上一点的切线方程,得切线GM、GN的方程分别为xx +yy -9=0和xx +yy -9=0 。
  因为G(1,3)是以上两条切线的交点,将点G的坐标代入并整理,得
  x +3y -9=0x +3y -9=0(8)
  由式(8)知,直线x+3y-9=0经过两点M(x ,y )、N(x ,y ),所以,直线MN的方程为:x+3y-9=0。(注:在此用了设而不求的思想)
  在每一种方法之后我引导6个小组的学生进行总结,并进行适点的点评。同时,我引导学生课后对推论1、推论2进行证,引导学生利用圆的参数方程(或三角函数)的思想去解决此类问题,通过小组合作探究,学生对圆的切点弦问题的理解深刻。一题多解的探究下,我又引导学生进行多题一解:即探究解决同種类型的规律及方法;引导学生对圆锥曲线(椭圆、双曲线、抛物线)的切点弦问题进行探究,这是一种合作学习的过程,是提高能力的过程,虽然在探究过程很艰辛,甚至有时候没有结论,但大家都很期待共同努力之后的“弦”外之音。
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