专题复习 圆中的相似

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  【摘要】在几何教学中建立几何模型,类比迁移知识,能培养学生在复杂的问题中提炼几何模型、解决问题的数学意识,能培养学生的数学核心素养.
  【关键词】几何模型;核心素养;圆;相似
  数学是研究数量关系和空间形式的科学,作者通过对平面几何“圆”这一章的教学进行认真总结,发现教师若能从个别习题的指导跳出来,加以科学思维角度的分析、指导,学生可以从复杂的几何问题中抽象出基本图形,将更有利于学生今后的学习.
  本节是复习课,复习课要根据学生的认知特点和规律开展教学.在复习阶段,教师应以巩固、梳理已学知识、技能为主,促进学生形成知识系统,提高学生运用所学知识解决实际问题的能力.
  圆是初中重要的几何内容,也是学生学习的难点,为加强学生理解图形的能力,本文从中考题中总结出以下基本图形,供读者参考.
  基本图形一 引例:如图1,在⊙O中,弦AB,CD相交于点P,连接AC,CB,BD,DA,图中的相似三角形有.
  解析:∵DB=DB,
  ∴∠DAB=∠DCB.
  ∵∠APD=∠CPB,
  ∴△APD∽△CPB.
  同理,△APC∽△DPB.
  反思:圆内的相似三角形可以解决什么问题呢?
  练习1:如图2,在⊙O中,弦AB,CD相交于点P,BD是⊙O的直径.已知AC=1,BD=3,求cos∠BPC的值.
  图2
  解析:连接BC,∵BD是直径,∴∠BCD=90°.
  由引例可得△APC∽△DPB,CPPB=ACDB=13,
  ∴在Rt△BCP中,cos∠BPC=CPPB=13.
  反思:利用上面的基本图形条件特殊化由相似比得到线段比,求出三角函数值.
  变式:如图3,在⊙O中,弦AB,CD相交于点P,BD是⊙O的直径.已知AC=1,BD=3,若C为AB的中点,求PC的长.
  解析:∵C为AB的中点,∴AC=BC=1.
  ∵由练习1可得cos∠BPC=CPPB=13,
  在Rt△BCP中,设CP=a,则PB=3a,得a2+1=(3a)2,
  解得PC=a= 24.
  总结:在圆中借助三角形相似,可以求线段长、三角函数值(也是用线段表示)等,我们解决问题的常用工具为线段的转化、勾股定理等.
  基本图形二 引例:如图4,在⊙O中弦DA,BC的延长线交于圆外一点E,图中的相似三角形有.
  解析:∵四边形DACB是圆内接四边形,∴∠EAC=∠B.
  ∵∠AEC=∠BED,
  ∴△EAC∽△EBD.
  练习2:如图5,在⊙O中,弦DA,BC的延长线交于圆外一点E,BD是⊙O的直径.若S△EAC=S四边形ADBC,求cos E的值.
  解析:连接DC,∵DB是直径,∴∠DCB=90°.
  由引例可得△EAC∽△EBD,S△EACS△EBD=EC2ED2=12,∴ECED= 22.
  在Rt△DCE中,cos∠E=ECED= 22.
  变式:如图6,在⊙O中弦DA,BC的延长线交于圆外一点E,BD是⊙O的直径.若C为AB的中点,BD=5,BC=3,求四边形ACBD的面积.
  解析:连接DC,∵C为AB的中点,∴∠EDC=∠BDC.
  ∵DB是直徑,∴∠DCB=90°,∴∠E=∠B,
  ∴DE=DB=5,EC=EB=3,∴S△EDB=12,
  由引例可得△EAC∽△EBD,∴EC2ED2=S△EACS△EBD=925,∴S△EAC=10825,
  ∴S四边形ADBC=12-10825=19225.
  小结:利用相似,给出相应面积关系,可求三角函数值.反之,给出一定的线段长和条件,可求图形面积的大小,万变不离其宗.
  基本图形三  引例:如图7,⊙O是△ABC的外接圆,AB是直径.过点C作⊙O的切线交BA的延长线于点P,写出图中的相似三角形.
  解析:连接OC,∵PC是⊙O的切线,∴∠PCO=90°.
  ∵AB是直径,∴∠ACB=90°,∴∠PCA=∠OCB.
  ∵OC=OB,∴∠OCB=∠OBC,
  ∴∠PCA=∠PBC.
  ∵∠CPA=∠BPC,
  ∴△CPA∽△BPC.
  练习3:如图8,⊙O是△ABC的外接圆,AB是直径.过点C作⊙O的切线交BA的延长线于点P,已知PC=4,tan∠PCA=12.
  (1)求证:∠PCA=∠ABC;
  (2)求⊙O的半径.
  解析:探究问题(2).
  ∵AB是直径,∴∠ACB=90°.
  在Rt△ABC中,tan∠B=AC[]BC.
  ∵∠B=∠PCA,∴tan∠B=tan∠PCA=1[]2=AC[]BC.
  由引例可得△CPA∽△BPC,得PAPC=PCPB=ACCB,∴PA4=4PB=12,∴PA=2,PB=8,∴AB=6,r=3.
  反思:题中只有一个线段长条件PC=4,若求半径r,仅有tan∠PCA=12的条件是不够的.挖掘题目中的隐含条件△CPA∽△BPC,可将∠PCA转化成∠PBC,借助直角三角形,得线段比ACCB=12,再次利用相似,得到相似对应边连等式,PAPC=PCPB=ACCB,从而求出半径长.
  图9变式:如图9,⊙O是△ABC的外接圆,AB是直径.过点C作⊙O的切线交BA的延长线于点P,已知AB=10,tan∠PCA=34,求PA的长.
  解析:由△CPA∽△BPC,得PAPC=PCPB=ACCB=34,
  ∵AB=10,∴PAPC=PCPA+10=34,得4PA=3PC,4PC=3PA+30,求得PA=907.
  圆的学习是学生学习强度的分水岭,主要看学生在学习几何图形时能否找到突破口把未知转化成已知,体现了数学的价值观念.数学是人类文化的重要组成部分,数学素养是现代社会每一个公民应该具备的基本素养.
  解题的关键是找到题中的线索,利用基本图形所对应的基本结论,打通思路,使解题方法“水到渠成”,这里的“水”是指特征条件,“渠”就是指基本图形,审视到“水”,就会联想到“渠”,从而达到“水到渠成”的效果.
  一个几何综合题的图形包含多个基本图形或基本图形的一部分元素,如果从中提炼基本图形,或补充、构建完整的基本图形,解题效率可大大提高.
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