Luyện tập chung: Tiếp tuyến, Vị trí tương đối của Đường thẳng và Đường tròn, Hai đường tròn
Hệ thống hóa toàn bộ kiến thức nửa sau Chương V: Ba vị trí tương đối của đường thẳng và đường tròn, dấu hiệu nhận biết và tính chất của tiếp tuyến, tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau; các vị trí tương đối của hai đường tròn và tiếp tuyến chung. Ứng dụng vẽ chắp nối trơn trong thiết kế đường ray xe lửa, đồ họa dự báo thời tiết và các bài toán thực tiễn.
Trọng tâm kiến thức Đường thẳng và Đường tròn & Hai đường tròn
1. Đường thẳng và Đường tròn $(O; R)$ ($d = d(O; a)$)
• Cắt nhau: $d < R$ (có 2 điểm chung phân biệt).
• Tiếp xúc nhau: $d = R$ (có đúng 1 điểm chung - tiếp điểm). Đường thẳng là tiếp tuyến, tiếp tuyến vuông góc với bán kính tại tiếp điểm.
• Không giao nhau: $d > R$ (có 0 điểm chung).
• Tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau: Điểm cắt cách đều hai tiếp điểm ($MA = MB$); tia nối điểm cắt với tâm là phân giác của góc tạo bởi hai tiếp tuyến.
2. Hai đường tròn $(O; R)$ và $(O'; R')$ ($d = OO'$)
• Cắt nhau: $|R - R'| < d < R + R'$ (2 điểm chung, $OO'$ là trung trực của dây chung).
• Tiếp xúc ngoài: $d = R + R'$ (tiếp điểm nằm giữa $O$ và $O'$).
• Tiếp xúc trong: $d = R - R' > 0$ (tiếp điểm thẳng hàng với $O, O'$).
• Ở ngoài nhau: $d > R + R'$. Đựng nhau: $d < R - R'$.
• Đồng tâm: $d = 0$ ($R \ne R'$, tạo thành hình vành khuyên).
Các ví dụ mẫu mực trong SGK
Cho hai đường tròn $(O; R)$ và $(O'; R')$ cắt nhau tại $A$ và $B$. Gọi $M$ là điểm đối xứng với $A$ qua $O$, $N$ là điểm đối xứng với $A$ qua $O'$ (Hình 5.38). Chứng minh rằng:
a) $M \in (O), N \in (O')$ và ba điểm $M, B, N$ thẳng hàng;
b) Đường thẳng $MN$ tiếp xúc với đường tròn đường kính $AB$.
Xem lời giải chi tiết Ví dụ 1
a) Do tính đối xứng tâm của đường tròn, điểm $A \in (O)$ đối xứng qua tâm $O$ thành điểm $M$ nên $M \in (O)$ và đoạn $AM$ là một đường kính của $(O)$.
Tam giác $ABM$ nội tiếp đường tròn đường kính $AM$ nên $\triangle ABM$ vuông tại $B$, suy ra $\widehat{ABM} = 90^\circ$.
Tương tự, $N \in (O')$ và $AN$ là đường kính của $(O')$, suy ra $\triangle ABN$ vuông tại $B \implies \widehat{ABN} = 90^\circ$.
Từ hai kết quả trên ta có:
$\widehat{MBN} = \widehat{ABM} + \widehat{ABN} = 90^\circ + 90^\circ = 180^\circ$.
Điều đó chứng tỏ ba điểm $M, B, N$ thẳng hàng.
b) Kết quả câu a cho thấy $MN \perp AB$ tại $B$.
Xét đường tròn đường kính $AB$, điểm $B$ thuộc đường tròn này và bán kính qua $B$ nằm trên đoạn $AB$.
Vì $MN \perp AB$ tại điểm $B$ nằm trên đường tròn nên đường thẳng $MN$ là tiếp tuyến của đường tròn đường kính $AB$ tại tiếp điểm $B$.
Cho hai đường tròn ngoài nhau $(O; R)$ và $(O'; R')$ với $R > R'$. Một đường thẳng $d$ tiếp xúc với $(O; R)$ tại $A$ và tiếp xúc với $(O'; R')$ tại $B$ sao cho $O$ và $O'$ nằm cùng phía đối với $d$. Giả sử $d$ cắt đường thẳng $OO'$ tại $P$ (Hình 5.39).
a) Chứng minh rằng $\frac{PO}{PO'} = \frac{R}{R'}$.
b) Gọi $A'$ là điểm đối xứng với $A$ qua đường thẳng $OO'$. Chứng minh rằng đường thẳng $PA'$ tiếp xúc với $(O)$ và với $(O')$.
Xem lời giải chi tiết Ví dụ 2
a) Vì $d$ là tiếp tuyến của $(O)$ tại $A$ và của $(O')$ tại $B$ nên $OA \perp d$ và $O'B \perp d$.
Do đó $OA \parallel O'B$. Xét tam giác $POA$, do $O'B \parallel OA$ nên $\triangle POA \backsim \triangle PO'B$. Suy ra:
$\frac{PO}{PO'} = \frac{OA}{O'B} = \frac{R}{R'}$.
b) Do $A'$ đối xứng với $A$ qua đường thẳng $OO'$ nên $OA' = OA = R \implies A' \in (O)$ và $OO' \perp AA'$.
Tam giác $OAA'$ cân tại $O$ có $OP \perp AA'$ nên $OP$ là tia phân giác của $\widehat{AOA'} \implies \widehat{AOP} = \widehat{A'OP}$.
Xét $\triangle AOP$ và $\triangle A'OP$ có: $OA = OA' = R$, $OP$ chung, $\widehat{AOP} = \widehat{A'OP}$. Do đó $\triangle AOP = \triangle A'OP$ (c.g.c), suy ra $\widehat{PA'O} = \widehat{PAO} = 90^\circ$.
Vì $PA' \perp OA'$ tại $A' \in (O)$ nên $PA'$ tiếp xúc với $(O)$ tại $A'$.
Tương tự, hạ $O'B' \perp PA'$ tại $B'$. Do $O'B' \parallel OA'$ nên $\frac{O'B'}{OA'} = \frac{PO'}{PO} = \frac{R'}{R} \implies O'B' = R'$, nghĩa là $B' \in (O')$. Vậy $PA'$ cũng tiếp xúc với $(O')$ tại $B'$.
Giải chi tiết Bài tập SGK (Trang 109 - 110)
Cho hai đường thẳng $a$ và $b$ song song với nhau, điểm $O$ nằm trong phần mặt phẳng ở giữa hai đường thẳng đó. Biết rằng khoảng cách từ $O$ đến $a$ và $b$ lần lượt bằng $2\text{ cm}$ và $3\text{ cm}$.
a) Hỏi bán kính $R$ của đường tròn $(O; R)$ phải thoả mãn điều kiện gì để $(O; R)$ cắt cả hai đường thẳng $a$ và $b$?
b) Biết rằng đường tròn $(O; R)$ tiếp xúc với đường thẳng $a$. Hãy xác định vị trí tương đối của đường tròn $(O; R)$ và đường thẳng $b$.
Xem lời giải chi tiết Bài 5.28
Gọi khoảng cách từ $O$ đến $a$ là $d_a = 2\text{ cm}$ và đến $b$ là $d_b = 3\text{ cm}$.
a) Để đường tròn $(O; R)$ cắt đường thẳng $a$ thì $R > d_a = 2\text{ cm}$.
Để $(O; R)$ cắt đường thẳng $b$ thì $R > d_b = 3\text{ cm}$.
Để $(O; R)$ cắt cả hai đường thẳng $a$ và $b$ thì: $R > 3\text{ cm}$.
b) Vì đường tròn $(O; R)$ tiếp xúc với đường thẳng $a$ nên bán kính của đường tròn là $R = d_a = 2\text{ cm}$.
Khi đó đối với đường thẳng $b$, khoảng cách từ $O$ đến $b$ là $d_b = 3\text{ cm} > 2\text{ cm} = R$.
Vì $d_b > R$ nên đường tròn $(O; R)$ và đường thẳng $b$ không giao nhau.
Khi chuyển động, giả sử đầu mũi kim dài của một chiếc đồng hồ vạch nên đường tròn $(T_1)$, đầu mũi kim ngắn vạch nên đường tròn $(T_2)$.
a) Hai đường tròn $(T_1)$ và $(T_2)$ có vị trí tương đối như thế nào?
b) Giả sử bán kính của $(T_1)$ và $(T_2)$ lần lượt là $R_1$ và $R_2$. Người ta vẽ trên mặt đồng hồ một hoạ tiết hình tròn $(T_3)$ có tâm nằm cách trục kim đồng hồ một khoảng bằng $\frac{1}{2}R_1$ và có bán kính bằng $\frac{1}{2}R_2$. Cho biết vị trí tương đối của $(T_3)$ đối với mỗi đường tròn $(T_1)$ và $(T_2)$ nếu $R_1 = 3\text{ cm}$ và $R_2 = 2\text{ cm}$.
Xem lời giải chi tiết Bài 5.29
a) Hai kim đồng hồ quay quanh cùng một trục quay $O$ nên tâm của $(T_1)$ và $(T_2)$ trùng nhau tại $O$ (khoảng cách giữa hai tâm $d = 0$). Vì kim dài dài hơn kim ngắn ($R_1 > R_2$) nên hai đường tròn $(T_1)$ và $(T_2)$ là hai đường tròn đồng tâm ($(T_1)$ đựng $(T_2)$).
b) Với $R_1 = 3\text{ cm}$ và $R_2 = 2\text{ cm}$:
Đường tròn $(T_3)$ có tâm cách $O$ khoảng $d = \frac{1}{2}R_1 = \frac{3}{2} = 1{,}5\text{ cm}$ và bán kính $R_3 = \frac{1}{2}R_2 = \frac{2}{2} = 1\text{ cm}$.
- Xét $(T_3)$ và $(T_1)$: Ta có $R_1 - R_3 = 3 - 1 = 2\text{ cm}$. Vì $d = 1{,}5\text{ cm} < 2\text{ cm} = R_1 - R_3$ nên đường tròn $(T_1)$ đựng đường tròn $(T_3)$.
- Xét $(T_3)$ và $(T_2)$: Hiệu hai bán kính $|R_2 - R_3| = 2 - 1 = 1\text{ cm}$; tổng hai bán kính $R_2 + R_3 = 2 + 1 = 3\text{ cm}$. Vì $1\text{ cm} < 1{,}5\text{ cm} < 3\text{ cm}$ ($|R_2 - R_3| < d < R_2 + R_3$) nên hai đường tròn $(T_3)$ và $(T_2)$ cắt nhau tại 2 điểm phân biệt.
Cho đường tròn $(O)$ đường kính $AB$, tiếp tuyến $xx'$ tại $A$ và tiếp tuyến $yy'$ tại $B$ của $(O)$. Một tiếp tuyến thứ ba của $(O)$ tại điểm $P$ ($P \ne A, P \ne B$) cắt $xx'$ tại $M$ và cắt $yy'$ tại $N$.
a) Chứng minh rằng $MN = MA + NB$.
b) Đường thẳng đi qua $O$ và vuông góc với $AB$ cắt $NM$ tại $Q$. Chứng minh rằng $Q$ là trung điểm của đoạn $MN$.
c) Chứng minh rằng $AB$ tiếp xúc với đường tròn đường kính $MN$.
Xem lời giải chi tiết Bài 5.30
a) Theo tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau tại $M$: $MA = MP$.
Theo tính chất hai tiếp tuyến cắt nhau tại $N$: $NB = NP$.
Vì điểm $P$ nằm giữa $M$ và $N$ nên: $MN = MP + NP = MA + NB$ (đpcm).
b) Vì $xx' \perp AB$ và $yy' \perp AB$ nên $xx' \parallel yy'$ ($AM \parallel BN$).
Tứ giác $AMNB$ có hai cạnh đáy $AM \parallel BN$ nên $AMNB$ là hình thang vuông tại $A$ và $B$.
Đường thẳng qua $O$ vuông góc với $AB$ nên $OQ \parallel AM \parallel BN$.
Trong hình thang $AMNB$, đường thẳng $OQ$ song song với hai đáy và đi qua trung điểm $O$ của cạnh bên $AB$, suy ra $OQ$ là đường trung bình của hình thang $AMNB$.
Do đó $Q$ là trung điểm của cạnh bên $MN$ (đpcm).
c) Vì $OQ$ là đường trung bình của hình thang $AMNB$ nên:
$OQ = \frac{AM + BN}{2} = \frac{MN}{2}$.
Xét đường tròn đường kính $MN$: tâm của đường tròn này là trung điểm $Q$ của $MN$ và bán kính là $R' = \frac{MN}{2} = OQ$.
Điểm $O$ thuộc đường tròn $(Q; \frac{MN}{2})$ và $QO \perp AB$ tại $O$.
Vậy đường thẳng $AB$ là tiếp tuyến của đường tròn đường kính $MN$ tại tiếp điểm $O$ (đpcm).
Cho hai đường tròn $(O)$ và $(O')$ tiếp xúc ngoài với nhau tại $A$ và cùng tiếp xúc với đường thẳng $d$ tại $B$ và $C$ ($B \in (O), C \in (O')$). Tiếp tuyến của $(O)$ tại $A$ cắt $BC$ tại $M$. Chứng minh rằng:
a) Đường thẳng $MA$ tiếp xúc với $(O')$;
b) Điểm $M$ là trung điểm của đoạn thẳng $BC$, từ đó suy ra tam giác $ABC$ là tam giác vuông.
Xem lời giải chi tiết Bài 5.31
a) Vì $(O)$ và $(O')$ tiếp xúc ngoài tại $A$ nên tiếp điểm $A$ nằm trên đoạn nối tâm $OO'$.
Đường thẳng $MA$ là tiếp tuyến của $(O)$ tại $A$ nên $MA \perp OA$ tại $A$.
Vì ba điểm $O, A, O'$ thẳng hàng nên $MA \perp O'A$ tại $A \in (O')$. Do đó $MA$ cũng là tiếp tuyến của $(O')$ tại $A$.
b) Xét điểm $M$ đối với đường tròn $(O)$: $MB$ và $MA$ là hai tiếp tuyến cắt nhau tại $M \implies MB = MA$.
Xét điểm $M$ đối với đường tròn $(O')$: $MC$ và $MA$ là hai tiếp tuyến cắt nhau tại $M \implies MC = MA$.
Từ đó suy ra $MB = MC = MA = \frac{BC}{2}$.
Vì $MB = MC$ nên $M$ là trung điểm của đoạn thẳng $BC$.
Trong tam giác $ABC$, đường trung tuyến $AM$ ứng với cạnh $BC$ có độ dài bằng nửa cạnh huyền: $AM = \frac{BC}{2}$.
Vậy tam giác $ABC$ vuông tại $A$ ($\widehat{BAC} = 90^\circ$).
Em có biết: Nghệ thuật và kỹ thuật "Vẽ chắp nối trơn" (SGK trang 110 - 111)
Trong kỹ thuật xây dựng đường ray xe lửa, đường cao tốc và đồ họa mỹ thuật, các đoạn đường thẳng và đường cong không thể ghép với nhau một cách gấp khúc (bị gãy) mà phải chắp nối trơn để tàu xe chạy êm, an toàn không bị lật.
Hai nguyên lý cốt lõi của chắp nối trơn:
1. Nếu một đoạn thẳng được chắp nối trơn với một cung tròn thì đoạn thẳng đó phải nằm trên tiếp tuyến của đường tròn tại điểm chắp nối.
2. Nếu hai cung tròn được chắp nối trơn với nhau thì hai đường tròn chứa hai cung ấy phải tiếp xúc nhau tại điểm chắp nối (tâm của hai đường tròn và tiếp điểm thẳng hàng).