2022 新高考Ⅰ卷 - 第14题 (填空题)

圆与圆公切线方程与圆心距
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 两圆位置关系判定: 设两圆半径为 \( r_1, r_2 \),圆心距为 \( d \)。若 \( d = r_1 + r_2 \),则两圆外切,恰有 3 条公切线(1 条内公切线,2 条外公切线)。
  • 切线几何性质: 内公切线过外切切点,且垂直于连心线;直线与圆相切充要条件为圆心到直线的距离等于半径:\( \frac{|Ax_0 + By_0 + C|}{\sqrt{A^2 + B^2}} = r \)。

14. 写出与圆 \( x^2 + y^2 = 1 \) 和 \( (x - 3)^2 + (y - 4)^2 = 16 \) 都相切的一条直线的方程________________.

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思路与规范推导

破题思路全景图

求两圆圆心与半径:O₁(0,0), r₁=1; O₂(3,4), r₂=4
计算圆心距 d = √(3²+4²) = 5 = 1 + 4 = r₁ + r₂,判定两圆外切
外切必有唯一内公切线:垂直于连心线 O₁O₂(斜率 4/3),公切线斜率 k = -3/4
求切点坐标 (3/5, 4/5) 代入点斜式,化简得 3x + 4y - 5 = 0(或写 x = -1)

单行道严密推导流

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第一步:分析两圆位置关系

圆 \( C_1: x^2 + y^2 = 1 \),圆心为 \( O_1(0, 0) \),半径 \( r_1 = 1 \);

圆 \( C_2: (x - 3)^2 + (y - 4)^2 = 16 \),圆心为 \( O_2(3, 4) \),半径 \( r_2 = 4 \)。

两圆心之间的距离为:

\[ d = |O_1 O_2| = \sqrt{(3 - 0)^2 + (4 - 0)^2} = \sqrt{9 + 16} = 5 \]

因为 \( r_1 + r_2 = 1 + 4 = 5 = d \),所以两圆外切!共有 3 条公切线。

第二步:求解最便捷的内公切线(过切点)

连心线 \( O_1 O_2 \) 的斜率为 \( k_{O_1 O_2} = \frac{4 - 0}{3 - 0} = \frac{4}{3} \)。

内公切线垂直于连心线,故其斜率为:

\[ k = -\frac{1}{k_{O_1 O_2}} = -\frac{3}{4} \]

因为两圆外切,内公切线到 \( O_1(0,0) \) 的距离等于半径 1,设方程为 \( 3x + 4y + C = 0 \):

\[ \frac{|C|}{\sqrt{3^2 + 4^2}} = 1 \implies \frac{|C|}{5} = 1 \implies |C| = 5 \]

切点在第一象限,故 \( C = -5 \),方程为 \( 3x + 4y - 5 = 0 \)(即 \( y = -\frac{3}{4}x + \frac{5}{4} \))。

第三步:其他备选外公切线

• 观察可知,竖直直线 \( x = -1 \) 与圆 \( C_1 \) 切于 \( (-1, 0) \),到 \( O_2(3, 4) \) 的距离为 \( |3 - (-1)| = 4 = r_2 \),恰好也是一条公切线!

• 另一条外公切线方程为 \( 7x - 24y - 25 = 0 \)(即 \( y = \frac{7}{24}x - \frac{25}{24} \))。

本题为开放性填空,写出上述任意一条均可得满分!

易错分水岭警示

设斜率忘记讨论垂直: 若直接设点斜式 \( y = kx + b \),会漏掉垂直于 x 轴的切线 \( x = -1 \)。

未判断外切: 盲目联立圆方程硬解方程组,计算量暴增且容易算错。

最终答案核对

解析阅读完毕,点击核对最终答案
y = -3/4 x + 5/4 或 x = -1 或 3x + 4y - 5 = 0 (任填一条)

核心模型与结论

两圆公切线条数与位置关系模型:外离(4条)、外切(3条)、相交(2条)、内切(1条)、内含(0条)。外切题必首选内公切线,直接法向量垂直连心线秒解!

易错警示与避坑

直接设斜截式 \( y=kx+b \) 时丢掉 \( x=-1 \) 的情形。求切线凡设斜率必验斜率不存在!

高分技法与秒杀

几何法一眼直给:圆心在原点半径 1,圆心在 (3,4) 半径 4,左边界 \( x = 0 - 1 = -1 \),右圆左边界 \( x = 3 - 4 = -1 \),两圆共同切于竖直线 \( x = -1 \)!5 秒直接手写 \( x = -1 \),全卷最快满分!

诊断与进阶指南

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