强基初中数学&学Python——第170课 点和圆的位置关系

  我国射击运动员在奥运会上屡获金牌,为祖国赢得荣誉。如下图是射击靶的示意图,它是由许多同心圆(圆心相同、半径不等的圆)构成的,击中靶上不同位置的成绩是如何计算出来的呢?

 

  要解决这个问题,就需要研究点和圆的位置关系。

  我们知道,圆上所有的点到圆心的距离都等于半径。如下图,设⊙O的半径为r,点A在圆内,点B在圆上,点C在圆外。

 

  容易看出:

OA<r,OB=r,OC>r。

  证明:如下图,∵ B点在⊙O上,

  ∴ OB=r。

  延长OA交⊙O于A',OC交⊙O于C',

  ∵ OA'=r,OC'=r,

  又 OA<OA',OC>OC',

  ∴ OA<r,OC>r。

 

  反过来,如果OA<r,OB=r,OC>r,则可以得到点A在圆内,点B在圆上,点C在圆外。

  证明:如下图,∵ OB=r,

  ∴ B点在⊙O上。

  过O,A做直线交⊙O于A'和A'',过O,C做直线交⊙O于C'和C'',

  ∵ OA<r,

  ∴ A点在A'A''(除A'和A''点)上,

  ∴ A点在⊙O内。

  ∵ OC>r,

  ∴ C点不在C'C''(包括C'和C''点)上,

  ∴ C点在⊙O外。

 

 

  

  设⊙O的半径为r,点P到圆心的距离OP=d,则有:

P在圆外<=>d>r;

P在圆上<=>d=r;

P在圆内<=>d<r。

  射击靶图上,有一组以靶心为圆心的大小不同的圆,它们把靶图由内到外分成几个区域,这些区域用由高到低的环数来表示,射击成绩用弹着点位置对应的环数表示。弹着点与靶心的距离决定了它在哪个圆内,弹着点离靶心越近,它所在的区域就越靠内,对应的环数也就越高,射击成绩越好。

  我们知道,已知圆心和半径,可以作一个圆。经过一个已知点A能不能作圆,这样的圆你能作出多少个?请看下面的视频。

,时长01:30

  经过两个已知点A,B能不能作圆?如果能,圆心分布有什么特点?

,时长02:55

  作圆的关键是确定圆心的位置和半径的大小,对于经过已知点作圆的问题,当圆心确定后,半径也就随之确定,这时作圆的问题就转化为确定圆心的问题。因此,经过一个点A作圆,只要以点A以外任意一点为圆心,以这一点与点A的距离为半径就可以作出,这样的圆有无数个。经过两点A,B作圆,由于所作圆的圆心到A,B两点的距离相等,所以圆心在线段AB的垂直平分线上,这样的圆也可以作出无数个。

  经过不在同一条直线上的三个点A,B,C能不能作圆?如果能,如何确定所作圆的圆心?

  对于经过不在同一条直线上的三点作圆的问题,因为所求的圆要经过A,B,C三点,所以圆心到这三点的距离要相等。因此,这个点既要在线段AB的垂直平分线上,又要在线段AC的垂直平分线上。如下图,

 

分别作出线段AB的垂直平分线l1和线段AC的垂直平分线l2,设它们的交点为O,则OA=OB=OC。于是以点O为圆心,OA(或OB,OC)为半径,便可作出经过A,B,C三点的圆。因为过A,B,C三点的圆的圆心只能是点O,半径等于OA,所以这样的圆只有一个,即

  不在同一条直线上的三个点确定一个圆。

  把三角形的顶点看做一个点,经过三角形的三个顶点可以作一个圆,这个圆叫做三角形的外接圆(circumcircle),外接圆的圆心是三角形三条边的垂直平分线的交点,叫做这个三角形的外心(circumcenter)。

  经过同一条直线上的三个点能作出一个圆吗?

  显然是不可以的,因为一条直线与圆相交最多两个交点。三个不同点有两种情况,一种是不在一条直线上,另一种是在一条直线上。前一种已证明可以确定一个圆,但这个定理不能作为另一种情况的依据。请先看下面的证明。

  如下图,假设经过同一条直线l上的A,B,C三点可以作一个圆。设这个圆的圆心为P,那么点P既在线段AB的垂直平分线l1上,又在线段BC的垂直平分线l2上,即点P为l1与l2的交点,而l1⊥l,l2⊥l,这与我们以前学过的“过一点有且只有一条直线与已知直线垂直”矛盾。所以经过同一条直线上的三个点不能作圆。

 

  上面证明“经过同一条直线上的三个点不能作圆”的方法与我们以前学过的证明不同,它不是直接从命题的已知得出结论,而是假设命题的结论不成立(即假设经过同一条直线上的三个点可以作一个圆),由此经过推理得出矛盾,由矛盾断定所作假设不正确,从而得到原命题成立。这种方法叫做反证法,也称归谬法。

  为了说明反证法使用的情景,一图读懂原命题、逆命题、否命题和逆否命题:

 

  反证法比较适合的情况:原命题已经证明是真命题,它的逆命题或否命题用一般方法不好证明。比如上一例,原命题“不在同一条直线上的三个点确定一个圆”已经证明是真命题,要证明它的否命题“经过同一条直线上的三个点不能作出一个圆”。又例如,要证明“同位角相等,两直线平行”的逆命题“两直线平行,同位角相等”。

  用反证法证明平行线的性质“两直线平行,同位角相等”。

  分析:平行三定理——同位角相等、内错角相等、同旁内角和是一平角,是不可以相互证明的,因为只要证明其中一个,其它两个就是推论。因此需要从平行公理——过直线外一点有而且只有一条直线与之平行和平行线判定(平行公理的推论),进行演绎推理证明。但从平行公理直接演绎证明同位角相等似乎不可能,这时就要考虑反证法了。

  如下图,如果AB//CD,那么∠1=∠2。

 

  证明:假设∠1≠∠2,过点O作直线A'B',使∠EOB'=∠2。

  根据“同位角相等,两直线平行”,可得A'B'//CD。

  这样,过点O就有两条直线AB,A'B'都平行于CD,这与平行公理“过直线外一点有且仅有一条直线与已知直线平行”矛盾。这说明假设∠1≠∠2不正确,从而∠1=∠2。