【学霸笔记:同步精讲】第2章 2.7 用坐标方法解决几何问题 讲义--2026版高中数学湘教版选必修1

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【学霸笔记:同步精讲】第2章 2.7 用坐标方法解决几何问题 讲义--2026版高中数学湘教版选必修1

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2.7 用坐标方法解决几何问题
学习任务 核心素养
1.理解坐标法的意义,并会用坐标法研究几何问题.(重点) 2.进一步掌握用解析法处理平面几何问题.(难点) 1.通过利用坐标法解决几何问题,培养数学运算素养. 2.借助于几何问题与代数运算的相互转化,培养直观想象素养.
有一座圆拱桥,当水面在如图所示位置时,拱顶离水面2 m,水面宽12 m.当水面下降1 m后,水面宽多少米?
如何才能正确地解决上述问题?
知识点 坐标法及其应用
(1)坐标法的定义:平面解析几何的基本思想方法就是在平面直角坐标系中,把点用坐标表示,将直线与圆等曲线用方程表示,通过研究方程来研究图形的性质,这种代数研究方法被称为坐标法.
(2)用代数方法解决几何问题的基本过程:
一涵洞的横截面是半径为5 m的半圆,则该半圆的方程是(  )
A.x2+y2=25
B.x2+y2=25(y≥0)
C.(x+5)2+y2=25(y0)
D.随建立直角坐标系的变化而变化
D [没有建立平面直角坐标系,因此圆的方程无法确定,故选D.]
类型1 用坐标法证明几何问题
【例1】 △ABD和△BCE是边AB,BC在直线AC上且位于直线AC同侧的两个等边三角形,用坐标法证明:|AE|=|CD|.
[证明] 如图,以B点为坐标原点,取AC所在直线为x轴,建立直角坐标系.
设△ABD和△BCE的边长分别为a,c,则
A(-a,0),E,C(c,0),D,
于是|AE|=
==,
|CD|=
==.
所以|AE|=|CD|.
 用坐标法解决几何问题的基本步骤
第一步:建立适当的坐标系,用坐标表示有关量.
第二步:进行有关代数运算.
第三步:把代数运算结果“翻译”成几何关系.
[跟进训练]
1.已知等腰△ABC中,AB=BC,P是底边AC上的任一点,PE⊥AB于点E,PF⊥BC于点F,CD⊥AB于点D.求证:|CD|=|PE|+|PF|.
[证明] 如图所示,以AC的中点为原点,AC为x轴建立平面直角坐标系,设A(a,0),B(0,b),C(-a,0),其中a>0,b>0.
则直线AB的方程为bx+ay-ab=0,直线BC的方程为bx-ay+ab=0.
设底边AC上任意一点为P(x,0)(-axa),
则|PE|==,|PF|==,|CD|==,
∵|PE|+|PF|==
=|CD|,
∴|CD|=|PE|+|PF|.
类型2 利用坐标法求动点的轨迹方程
【例2】 已知坐标平面上点M与两个定点M1,M2的距离之比等于5.
(1)求点M的轨迹方程,并说明轨迹是什么图形;
(2)记(1)中的轨迹为C,线段AB,点A为C上一点,点B,求AB的中点P的轨迹方程.
[解] (1)由題意可得:=5 =5,
即x2+y2-2x-2y-23=0 +=25.
故所求轨迹是以为圆心,5为半径的圆.
(2)设P,A.∵B且AB的中点为P,

∵点A为C上一点,∴+=25,
即+=25,故+=,即为所求的轨迹方程.
 1.求符合某种条件的动点的轨迹方程,其实质就是利用题设中的几何条件,用“坐标化”将其转化为寻求变量间的关系.
2.求动点的轨迹方程的一般方法有:定义法、直接法和代入法.
[跟进训练]
2.已知过点P(2,2)的直线l和圆C:(x-1)2+y2=6交于A,B两点.
(1)若AB⊥PC,求直线l的方程;
(2)若Q为圆C上的任意一点,求线段PQ中点M的轨迹方程.
[解] (1)由题意,C(1,0)且P在圆C内,
∴由AB⊥PC知:kAB·kPC=-1,
而kPC==2,得kAB=-,
∴直线l:y-2=-(x-2),整理得x+2y-6=0.
(2)设M(x,y),又M为PQ中点,即Q(2x-2,2y-2),
∵Q为圆C上的任意一点,
∴(2x-3)2+(2y-2)2=6,整理得+(y-1)2=.
即M的轨迹方程为+(y-1)2=.
类型3 坐标法的实际应用
【例3】 树林的边界是直线l(如图CD所在的直线),一只兔子在河边喝水时发现了一只狼,兔子和狼分别位于l的垂线AC上的A点和B点处,AB=BC=a(a为正常数),若兔子沿AD方向以速度2μ向树林逃跑,同时狼沿线段BM方向以速度μ进行追击(μ为正常数),若狼到达M处的时间不多于兔子到达M处的时间,狼就会吃掉兔子.
(1)求兔子的所有不幸点(即可能被狼吃掉的点)的区域面积S(a);
(2)若兔子要想不被狼吃掉,求θ(θ=∠DAC)的取值范围.
[解] (1)如图建立坐标系xOy,
设A(0,2a),B(0,a),M(x,y),由得x2+,
所以M在以为圆心,半径为的圆及其内部,所以S(a)=π.
(2)设lAD:y=kx+2a,由兔子要想不被狼吃掉,
则>,解得:k∈(-,0)∪(0,),
可得0<∠ADC<,
所以θ∈.
 利用坐标法解决实际问题的一般步骤
(1)审题:从题目中抽象出几何模型,明确已知和未知;
(2)建系:建立适当的平面直角坐标系,用坐标和方程表示几何模型中的基本元素;
(3)求解:利用直线与圆的有关知识求出未知;
(4)还原:将运算结果还原到实际问题中去.
[跟进训练]
3.如图所示,船行前方的河道上有一座圆拱桥,正常水位时,拱圈的最高点距水面9 m,拱圈内水面宽22 m,船体在水面以上部分高6.5 m,船顶部宽4 m,此时船可以通行无阻.近日水位暴涨了2.7 m,船已经不能通过桥洞,船员必须加重船载,降低船身在水面以上的高度,则船身至少降低多少才能通过桥洞?(精确到0.01 m)
[解] 在正常水位时,设水面与桥横截面的交线为x轴,过拱桥最高点且与水面垂直的直线为y轴,建立平面直角坐标系,
如图所示,则A,B,D三点的坐标分别为(-11,0),(11,0),(0,9),
又圆心C在y轴上,故可设C(0,b).
因为|CD|=|CB|,所以(9-b)2=112+b2,解得b=-,所以圆拱桥所在圆的方程为x2+=.
当x=2时,求得y≈8.820,即拱桥宽为4 m的地方距正常水位时的水面约8.820 m,距涨水后的水面约8.820-2.7=6.120(m),因为船体在水面以上部分原高6.5 m,
所以船身至少降低6.5-6.120=0.38(m),船才能顺利通过桥洞.
1.长为10的线段的两个端点A,B分别在x轴和y轴上滑动,则线段AB的中点M的轨迹方程为(  )
A.=1 B.=1
C.y2=16x D.x2+y2=25
D [由题意,若A(x0,0),B(0,y0),则 =100,
∴设M(x,y),即x=,y=,有x0=2x,y0=2y,
∴(2x)2+(2y)2=100,得x2+y2=25,即线段AB的中点M的轨迹方程为x2+y2=25.]
2.一辆货车宽1.6米,要经过一个半径为3.6米的半圆形单行隧道,则这辆货车的平顶车篷的篷顶距离地面高度最高约为(  )
A.2.4米 B.3.5米 C.3.6米 D.2.0米
B [以半圆所在直径为x轴,过圆心且与x轴垂直的直线为y轴,建立如图所示的平面直角坐标系.
易知半圆所在的圆的方程为x2+y2=3.62(y≥0),
由图可知,当货车恰好在隧道中间行走时车篷最高,
此时x=0.8或x=-0.8,代入x2+y2=3.62,
得y≈3.5(负值舍去).]
3.一艘海监船上配有雷达,其监测范围是半径为26 km的圆形区域,一艘外籍轮船从位于海监船正东40 km的A处出发径直驶向位于海监船正北30 km的B处岛屿,船速为10 km/h,这艘外籍轮船能被海监船监测到的持续时间长约为(  )
A.1 h B.2 h C.3 h D.4 h
B [根据题意以海监船的位置为坐标原点,其正东方向为x轴,正北方向为y轴,
所以A,B,圆O:x2+y2=676,记从N处开始被监测,到M处监测结束,
所以lAB:=1,即lAB:3x+4y-120=0,
因为O到lAB:3x+4y-120=0的距离为|OO′|==24,
所以|MN|=2=20,所以监测时间持续=2 h,故选B.
]
4.已知圆O:x2+y2=5和点A(1,2),则过点A与圆O相切的直线与两坐标轴围成的三角形的面积为________.
 [∵点A(1,2)在圆x2+y2=5上,∴过点A与圆O相切的切线方程为x+2y=5,易知切线在坐标轴上的截距分别为5,,∴切线与坐标轴围成的三角形的面积为.]
回顾本节知识,自我完成以下问题:
(1)坐标法是如何实现几何问题向代数问题转化的?
[提示] 利用坐标法解决平面几何问题,将几何中“形”的问题转化为代数中“数”的问题.适当建系时,通常取定直线为坐标轴,定点或线段的中点为原点,使其具有对称性,这样便于设坐标.很多实际问题也可采用这种方法转化.
(2)用坐标法解决实际应用问题的一般步骤是什么?
[提示] 
课时分层作业(二十三) 用坐标方法解决几何问题
一、选择题
1.方程y=-表示的曲线是(  )
A.一条射线       B.一个圆
C.两条射线 D.半个圆
D [由y=-得x2+y2=25.
∵y=-0,∴曲线表示半个圆.]
2.已知△ABC的三个顶点是A(5,5),B(1,4)和C(4,1),则△ABC的形状是(  )
A.直角三角形 B.等腰三角形
C.等边三角形 D.等腰直角三角形
B [∵|AB|==,|BC|==3,
|AC|==,∴|AB|=+|AC|2≠|BC|2,∴△ABC为等腰三角形.]
3.如图,某个圆拱桥的水面跨度是20米,拱顶离水面4米,当水面下降1米后,桥在水面的跨度为(  )
A.2米 B.20米
C.4米 D.12米
C [以圆拱桥的顶点为坐标原点,建立如图所示的平面直角坐标系,
则圆拱桥所在圆的圆心位于y轴负半轴上,设该圆的圆心为,a>0,
则该圆的方程为x2+=a2.
记水面下降前与圆的两交点为A,B,记水面下降1米后与圆的两交点为C,D.
由题意可得,A,则+(-4+a)2=a2,解得a=,
所以圆的方程为x2+=,
水面下降1米后,可知C点纵坐标为y=-5,
所以x2+=,解得x2=120,
则此时的桥在水面的跨度为CD=2=2=4米.]
4.已知直线x+y-a=0与圆C:(x-a)2+(y+a)2=1相交于A,B两点,且△ABC为等腰直角三角形,则实数a的取值为(  )
A.-1或 B.1或-1
C.2或-2 D.1
B [∵△ABC是等腰直角三角形,CA=CB=1,∠ACB=90°,
∴斜边AB上的高为sin 45°,∴圆心C到直线x+y-a=0的距离等于sin 45°=,∴=,解得a=±1.]
5.已知点P是直线2x+y+10=0上的动点,直线PA,PB分别与圆x2+y2=4相切于A,B两点,则四边形PAOB(O为坐标原点)的面积的最小值为(  )
A.24 B.16
C.8 D.4
C [∵四边形PAOB的面积S=2×|PA|×|OA|=2=2,
∴当直线OP垂直直线2x+y+10=0时,|OP|min==2.
此时,四边形PAOB的面积的最小值为2=8.]
二、填空题
6.已知直线x-2y-3=0与圆(x-2)2+(y+3)2=9相交于E,F两点,圆心为C,则△CEF的面积为________.
2 [圆心(2,-3)到直线x-2y-3=0的距离为d==,
∴|EF|=2×=2=4,∴S△CEF=×4×=2.]
7.已知点P是圆x2+y2=16上的一个动点,定点A(0,12),当点P在圆上运动时,线段PA的中点M形成曲线的方程为____________.
x2+(y-6)2=4 [设M(x,y),点P的坐标为(x0,y0),
∵点A,且M是线段PA的中点,∴x0=2x,y0=2y-12,
∴P(2x,2y-12),∵P在圆上运动,
∴(2x)2+(2y-12)2=16,即x2+=4,
∴线段PA的中点M的轨迹方程为x2+=4.]
8.已知x+y+1=0,那么的最小值是________.
2 [表示点P(x,y)和点(-2,-3)的距离,
则的最小值为点(-2,-3)到直线x+y+1=0的距离,d===2.]
三、解答题
9.在△ABC中,D是BC边上任意一点(D与B,C不重合),且|AB|2=|AD|2+|BD|·|DC|,求证:△ABC为等腰三角形.
[证明] 如图,作AO⊥BC,垂足为O,以BC所在直线为x轴,以OA所在直线为y轴,建立直角坐标系.
设A(0,a),B(b,0),C(c,0),D(d,0).因为|AB|2=|AD|2+|BD|·|DC|,所以由两点间的距离公式,得
b2+a2=d2+a2+(d-b)(c-d),
即-(d-b)(b+d)=(d-b)(c-d),
又d-b≠0,故-b-d=c-d,即-b=c.
所以△ABC为等腰三角形.
10.有一种大型商品,A,B两地都有出售,且价格相同,某地居民从两地之一购得商品后,运回的费用是:每单位距离A地的运费是B地运费的3倍,已知A,B两地相距10 km,顾客选A或B地购买这件商品的标准是:包括运费和价格的总费用较低,求A,B两地的售货区域的分界线的曲线形状,并指出曲线上、曲线内、曲线外的居民如何选择购货地点.
[解] 如图,以A,B所确定的直线为x轴,线段AB中点O为坐标原点,建立直角坐标系,则A(-5,0),B(5,0),
设某地P的坐标为(x,y),假设居民选择A地购买商品便宜,并设A地的运费3a元/千米,B地的运费为a元/千米,则商品价格+xA地运费商品价格+xB地运费,
∴3aa.
∵a>0,∴3.
化简为+y2.
∴以点C为圆心,为半径的圆是这两条购货区域的分界线.
圆C内的居民,从A地购货便宜,
圆C外的居民,从B地购货便宜,
圆C上的居民,从A,B两地购货的总费用相等,因此可随便从A,B两地之一购货.
11.台风中心从A地以每小时20 km的速度向东北方向移动,离台风中心不超过30 km地区为危险区,城市B在A地正东40 km处,则城市B处于危险区内的时间是(  )
A.0.5 h B.1 h
C.1.5 h D.2 h
B [如图所示,以A地为原点,AB所在直线为x轴,建立平面直角坐标系,
则B(40,0),以B为圆心,30为半径的圆的方程为(x-40)2+y2=302,台风中心移动到圆B内时,B城市将处于危险区,台风移动所在直线方程为y=x,它与圆B的相交弦为MN,则可求得|MN|=2=20(km),=1(h),所以B城市位于危险区内的时间为1 h.]
12.一束光线从点A(-1,1)出发经x轴反射到圆(x-2)2+(y-3)2=1上的最短距离为________.
4 [A关于x轴的对称点为A′(-1,-1),A′与圆心的距离为=5,故所求最短距离为5-1=4.]
13.如图,在平面斜坐标系xOy中,∠xOy=60°,平面上任一点P的斜坐标定义如下:若=,其中分别为与x轴、y轴同方向的单位向量,则点P的斜坐标为(x,y).那么,以O为圆心,2为半径的圆在斜坐标系xOy中的方程是________.
x2+xy+y2-4=0 [设圆上动点M的斜坐标为(x,y),则==+y2=4,∴x2+y2+xy-4=0.]
14.两圆相交于两点(1,3)和(m,-1),两圆圆心都在直线x-y+c=0上,则m+c的值为________.
3 [由平面几何性质知:两相交圆圆心的连线与两圆的公共弦垂直,且经过弦的中点,则=-1,得m=5,∴弦中点坐标为(3,1),∴3-1+c=0,得c=-2,∴m+c=3.]
15.如图所示,为保护河上古桥OA,规划建一座新桥BC,同时设立一个圆形保护区.规划要求:新桥BC与河岸AB垂直;保护区的边界为圆心M在线段OA上并与BC相切的圆,且古桥两端O和A到该圆上任意一点的距离均不少于80 m.经测量,点A位于点O正北方向60 m处,点C位于点O正东方向170 m处(OC为河岸),tan ∠BCO=.
(1)求新桥BC的长;
(2)当OM多长时,圆形保护区的面积最大?
[解] (1)如图,以O为坐标原点,OC所在直线为x轴,建立平面直角坐标系xOy.
由条件知,A(0,60),C(170,0),
直线BC的斜率kBC=-tan ∠BCO=-.
又因为AB⊥BC,
所以直线AB的斜率kAB=.
设点B的坐标为(a,b),
则kBC==-,①
kAB==,②
联立①②,解得a=80,b=120.
所以BC==150.
因此新桥BC的长为150 m.
(2)设保护区的边界圆M的半径为r m,OM=d m(0d60).
由条件知,直线BC的方程为y=-(x-170),
即4x+3y-680=0.
由于圆M与直线BC相切,
故点M(0,d)到直线BC的距离是r,
即r==.
因为O和A到圆M上任意一点的距离均不少于80 m,
所以

解得10d35.
故当d=10时,r=最大,
即圆面积最大.
所以当OM=10 m时,圆形保护区的面积最大.
1 / 12.7 用坐标方法解决几何问题
学习任务 核心素养
1.理解坐标法的意义,并会用坐标法研究几何问题.(重点) 2.进一步掌握用解析法处理平面几何问题.(难点) 1.通过利用坐标法解决几何问题,培养数学运算素养. 2.借助于几何问题与代数运算的相互转化,培养直观想象素养.
有一座圆拱桥,当水面在如图所示位置时,拱顶离水面2 m,水面宽12 m.当水面下降1 m后,水面宽多少米?
如何才能正确地解决上述问题?
知识点 坐标法及其应用
(1)坐标法的定义:平面解析几何的基本思想方法就是在平面直角坐标系中,把点用____表示,将直线与圆等曲线用____表示,通过研究方程来研究图形的性质,这种代数研究方法被称为坐标法.
(2)用代数方法解决几何问题的基本过程:
一涵洞的横截面是半径为5 m的半圆,则该半圆的方程是(  )
A.x2+y2=25
B.x2+y2=25(y≥0)
C.(x+5)2+y2=25(y0)
D.随建立直角坐标系的变化而变化
类型1 用坐标法证明几何问题
【例1】 △ABD和△BCE是边AB,BC在直线AC上且位于直线AC同侧的两个等边三角形,用坐标法证明:|AE|=|CD|.
[尝试解答]                              
                                   
                                   
                                   
                                   
                                   
 用坐标法解决几何问题的基本步骤
第一步:建立适当的坐标系,用坐标表示有关量.
第二步:进行有关代数运算.
第三步:把代数运算结果“翻译”成几何关系.
[跟进训练]
1.已知等腰△ABC中,AB=BC,P是底边AC上的任一点,PE⊥AB于点E,PF⊥BC于点F,CD⊥AB于点D.求证:|CD|=|PE|+|PF|.
                                   
                                   
                                   
                                   
                                   
类型2 利用坐标法求动点的轨迹方程
【例2】 已知坐标平面上点M与两个定点M1,M2的距离之比等于5.
(1)求点M的轨迹方程,并说明轨迹是什么图形;
(2)记(1)中的轨迹为C,线段AB,点A为C上一点,点B,求AB的中点P的轨迹方程.
[尝试解答]                              
                                   
                                   
                                   
                                   
                                   
 1.求符合某种条件的动点的轨迹方程,其实质就是利用题设中的几何条件,用“坐标化”将其转化为寻求变量间的关系.
2.求动点的轨迹方程的一般方法有:定义法、直接法和代入法.
[跟进训练]
2.已知过点P(2,2)的直线l和圆C:(x-1)2+y2=6交于A,B两点.
(1)若AB⊥PC,求直线l的方程;
(2)若Q为圆C上的任意一点,求线段PQ中点M的轨迹方程.
                                   
                                   
                                   
                                   
                                   
类型3 坐标法的实际应用
【例3】 树林的边界是直线l(如图CD所在的直线),一只兔子在河边喝水时发现了一只狼,兔子和狼分别位于l的垂线AC上的A点和B点处,AB=BC=a(a为正常数),若兔子沿AD方向以速度2μ向树林逃跑,同时狼沿线段BM方向以速度μ进行追击(μ为正常数),若狼到达M处的时间不多于兔子到达M处的时间,狼就会吃掉兔子.
(1)求兔子的所有不幸点(即可能被狼吃掉的点)的区域面积S(a);
(2)若兔子要想不被狼吃掉,求θ(θ=∠DAC)的取值范围.
[尝试解答]                              
                                   
                                   
                                   
                                   
                                   
 利用坐标法解决实际问题的一般步骤
(1)审题:从题目中抽象出几何模型,明确已知和未知;
(2)建系:建立适当的平面直角坐标系,用坐标和方程表示几何模型中的基本元素;
(3)求解:利用直线与圆的有关知识求出未知;
(4)还原:将运算结果还原到实际问题中去.
[跟进训练]
3.如图所示,船行前方的河道上有一座圆拱桥,正常水位时,拱圈的最高点距水面9 m,拱圈内水面宽22 m,船体在水面以上部分高6.5 m,船顶部宽4 m,此时船可以通行无阻.近日水位暴涨了2.7 m,船已经不能通过桥洞,船员必须加重船载,降低船身在水面以上的高度,则船身至少降低多少才能通过桥洞?(精确到0.01 m)
[尝试解答]                              
                                   
                                   
                                   
                                   
                                   
1.长为10的线段的两个端点A,B分别在x轴和y轴上滑动,则线段AB的中点M的轨迹方程为(  )
A.=1 B.=1
C.y2=16x D.x2+y2=25
2.一辆货车宽1.6米,要经过一个半径为3.6米的半圆形单行隧道,则这辆货车的平顶车篷的篷顶距离地面高度最高约为(  )
A.2.4米 B.3.5米 C.3.6米 D.2.0米
3.一艘海监船上配有雷达,其监测范围是半径为26 km的圆形区域,一艘外籍轮船从位于海监船正东40 km的A处出发径直驶向位于海监船正北30 km的B处岛屿,船速为10 km/h,这艘外籍轮船能被海监船监测到的持续时间长约为(  )
A.1 h B.2 h C.3 h D.4 h
4.已知圆O:x2+y2=5和点A(1,2),则过点A与圆O相切的直线与两坐标轴围成的三角形的面积为________.
回顾本节知识,自我完成以下问题:
(1)坐标法是如何实现几何问题向代数问题转化的?
(2)用坐标法解决实际应用问题的一般步骤是什么?
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