Bài 14: Cung và dây của một đường tròn
🌉 Tính Bán kính Mái Cầu Vòm Đá
Một cây cầu vòm bằng đá có mặt cắt là một phần của đường tròn tâm . Nhịp cầu (độ rộng chân vòm) đo được là . Chiều cao đỉnh vòm so with chân vòm là ( là trung điểm ).
Làm thế nào định lý đường kính và dây cung giúp các kỹ sư xây dựng tính chính xác bán kính của vòm cầu?
Ta có nằm trên đường kính vuông góc với dây tại trung điểm .
Áp dụng định lý Pythagore trong :
📖 1. Định lý về Đường kính và Dây cung
1. Định lý 1 (Đường kính dây cung): Trong một đường tròn, đường kính vuông góc với một dây thì đi qua trung điểm của dây ấy.
2. Định lý 2 (Đường kính đi qua trung điểm dây): Trong một đường tròn, đường kính đi qua trung điểm của một dây không đi qua tâm thì vuông góc với dây ấy.
3 Ví dụ minh họa Định lý Đường kính & Dây cung:
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và dây . Kẻ tại . Tính độ dài đoạn .
- Giải: Vì là trung điểm .
Xét tam giác vuông tại : .
- Giải: Vì là trung điểm .
-
Ví dụ 2: Cho đường tròn và dây . Tính khoảng cách từ tâm đến dây .
- Giải: Kẻ .
.
- Giải: Kẻ .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn , dây . Gọi là trung điểm . Biết và bán kính . Tính độ dài dây .
- Giải: Vì là trung điểm (dây đường kính) tại .
Xét vuông tại : .
Do đó .
- Giải: Vì là trung điểm (dây đường kính) tại .
📖 2. Liên hệ giữa Dây và Khoảng cách từ tâm đến dây
Trong một đường tròn (hoặc hai đường tròn bằng nhau):
-
Hai dây bằng nhau thì cách đều tâm:
-
Hai dây cách đều tâm thì bằng nhau:
-
Dây nào lớn hơn thì gần tâm hơn (khoảng cách nhỏ hơn):
(Trong đó lần lượt là khoảng cách từ tâm đến dây ).
3 Ví dụ minh họa Liên hệ giữa Dây và Khoảng cách:
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và hai dây . So sánh khoảng cách và từ tâm đến hai dây đó.
- Giải: Vì nên dây lớn hơn dây .
Theo định lý liên hệ dây và khoảng cách (dây lớn hơn thì gần tâm hơn).
- Giải: Vì nên dây lớn hơn dây .
-
Ví dụ 2: Cho đường tròn có hai dây và thỏa mãn khoảng cách . Biết . Tính độ dài dây .
- Giải: Vì (hai dây cách đều tâm) .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn có hai dây và cắt nhau tại nằm bên trong đường tròn. Biết và . Chứng minh hoặc .
- Giải: Vì .
Xét hai tam giác vuông và có cạnh huyền chung, (cạnh huyền - cạnh góc vuông) .
Mà (ĐPCM).
- Giải: Vì .
🎯 5 Dạng toán & Phương pháp giải chi tiết
Dạng 1: Tính độ dài dây cung và khoảng cách từ tâm đến dây
- Phương pháp: Sử dụng tam giác vuông với và . Áp dụng định lý Pythagore: .
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và dây . Tính khoảng cách từ tâm đến dây .
- Lời giải: là trung điểm .
.
- Lời giải: là trung điểm .
-
Ví dụ 2: Cho đường tròn có khoảng cách từ tâm đến dây là . Tính bán kính của .
- Lời giải: . Bán kính .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn . Tính độ dài dây biết khoảng cách từ đến bằng .
- Lời giải: .
Dạng 2: Chứng minh tính chất vuông góc và trung điểm
- Phương pháp: Áp dụng định lý đường kính vuông góc với dây đi qua trung điểm của dây.
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và dây . Gọi là trung điểm . Qua vẽ dây . Chứng minh là trung điểm .
- Lời giải: Vì là trung điểm .
Mà tại thẳng hàng, tức là chứa đường kính qua .
Đường kính là trung điểm .
- Lời giải: Vì là trung điểm .
-
Ví dụ 2: Cho tam giác cân tại nội tiếp đường tròn . Chứng minh đường kính của vuông góc với tại trung điểm của .
- Lời giải: Vì cân tại đường phân giác đồng thời là đường trung trực của .
Do đó tại trung điểm của .
- Lời giải: Vì cân tại đường phân giác đồng thời là đường trung trực của .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn và hai dây . Gọi lần lượt là trung điểm của . Chứng minh 3 điểm thẳng hàng.
- Lời giải: Vì là trung điểm . Vì là trung điểm .
Mà . Qua điểm chỉ có một đường thẳng vuông góc với , do đó trùng thẳng hàng.
- Lời giải: Vì là trung điểm . Vì là trung điểm .
Dạng 3: So sánh độ dài hai dây cung dựa vào khoảng cách đến tâm
- Phương pháp: Kẻ đường vuông góc từ tâm đến hai dây, so sánh và để suy ra quan hệ giữa hai dây và .
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và điểm nằm bên trong (). Qua vẽ hai dây và không vuông góc với . So sánh và .
- Lời giải: Kẻ ().
Trong tam giác vuông , cạnh huyền .
Khoảng cách từ đến là , khoảng cách đến là .
Vì (dây gần tâm hơn thì lớn hơn).
- Lời giải: Kẻ ().
-
Ví dụ 2: Cho tam giác có nội tiếp đường tròn . So sánh khoảng cách từ đến và .
- Lời giải: Vì nên dây nhỏ hơn dây .
Do đó khoảng cách từ tâm đến lớn hơn khoảng cách từ đến .
- Lời giải: Vì nên dây nhỏ hơn dây .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn và hai dây . Tính và tính .
- Lời giải: .
.
.
- Lời giải: .
Dạng 4: Chứng minh hai đoạn thẳng hoặc hai góc bằng nhau
- Phương pháp: Sử dụng các tam giác bằng nhau chứa bán kính và khoảng cách từ tâm đến dây.
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và hai dây cắt nhau tại nằm bên ngoài đường tròn. Chứng minh .
- Lời giải: Kẻ . Vì .
(ch-cgv) .
Vì .
Suy ra (ĐPCM).
- Lời giải: Kẻ . Vì .
-
Ví dụ 2: Cho đường tròn và hai dây . Chứng minh .
- Lời giải: Kẻ đường kính .
là đường trung trực chung của hai đoạn và .
Do đó hình thang có trục đối xứng là hình thang cân (ĐPCM).
- Lời giải: Kẻ đường kính .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn và hai dây . Kẻ . Chứng minh .
- Lời giải: Vì (hai dây bằng nhau cách đều tâm).
Tam giác có nên là tam giác cân tại (ĐPCM).
- Lời giải: Vì (hai dây bằng nhau cách đều tâm).
Dạng 5: Bài toán Cực trị Hình học (Dây lớn nhất, dây nhỏ nhất)
- Phương pháp: Qua điểm trong , dây ngắn nhất là dây vuông góc với , dây dài nhất là đường kính qua .
-
Ví dụ 1: Cho đường tròn và điểm cách một khoảng . Tính độ dài dây ngắn nhất đi qua .
- Lời giải: Dây qua ngắn nhất khi dây đó vuông góc với tại .
Khi đó .
Độ dài dây ngắn nhất .
- Lời giải: Dây qua ngắn nhất khi dây đó vuông góc với tại .
-
Ví dụ 2: Cho đường tròn và điểm nằm bên trong . Gọi là dây bất kỳ đi qua . Tìm độ dài lớn nhất của dây .
- Lời giải: Dây . Độ dài lớn nhất của dây bằng đường kính khi dây đi qua tâm .
-
Ví dụ 3: Cho đường tròn và điểm cách một khoảng . Tìm độ dài các dây đi qua có số đo là số nguyên.
- Lời giải: Dây ngắn nhất qua vuông góc với có độ dài .
Dây dài nhất qua là đường kính .
Các độ dài dây nguyên qua có thể nhận giá trị .
- Lời giải: Dây ngắn nhất qua vuông góc với có độ dài .
🌍 3 Bài toán ứng dụng đời sống thực tế
Bài toán 1 (Thiết kế Cống thoát nước Đô thị):
Một cống thoát nước ngầm hình tròn có bán kính . Khi trời mưa lớn, mực nước dâng cao làm mặt nước đạt độ rộng bề mặt . Tính chiều cao mực nước trong cống thoát nước.
Bài toán 2 (Kỹ thuật Cắt Gỗ Công nghiệp):
Một khúc gỗ tròn hình trụ có đường kính . Thợ mộc dùng lưỡi cưa máy cắt một lát thẳng qua thân gỗ tạo thành mặt xẻ có độ rộng . Tính khoảng cách từ tâm khúc gỗ đến lưỡi cưa.
Bài toán 3 (Đo Bán kính Nắp Cống Vòng):
KTS đo đạc một cổng vòm gạch cổ có chân vòm rộng và chiều cao đỉnh vòm ( là trung điểm ). Tính bán kính đường tròn của vòm gạch cổ này.
📌 Hướng dẫn: Công cụ tương tác dưới đây hỗ trợ tính toán mối liên hệ giữa bán kính , độ dài dây và khoảng cách từ tâm đến dây !
Thực hành tương tác: Căn bậc hai số học
Nhập giá trị của √144:
Trọng tâm kiến thức Bài 14:
- Đường kính dây: Đi qua trung điểm của dây.
- Đường kính qua trung điểm dây: Vuông góc với dây (dây không qua tâm).
- Liên hệ dây & khoảng cách:
- .
- (gần tâm hơn thì lớn hơn).
Trong một đường tròn, đường kính vuông góc với một dây thì:
📝 Bài tập tự luận
Bài 1: Cho đường tròn . Tính khoảng cách từ tâm đến dây trong các trường hợp:
a)
b)
c)
d)
e)
f) (đường kính)
Bài 2: Cho đường tròn . Tính độ dài dây khi biết khoảng cách từ đến :
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Bài 3: Cho đường tròn có hai dây và . So sánh độ dài hai dây và biết khoảng cách từ tâm đến :
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Bài 4: Cho đường tròn và dây .
a) Tính khoảng cách từ tâm đến dây .
b) Gọi là trung điểm . Vẽ dây đi qua và vuông góc với . Tính độ dài dây .
Bài 5: Cho đường tròn và hai dây . Biết và bán kính . Tính khoảng cách giữa hai dây và trong hai trường hợp:
a) Hai dây nằm cùng phía đối với tâm .
b) Hai dây nằm khác phía đối với tâm .
Bài 6: Cho tam giác nhọn nội tiếp đường tròn . Gọi lần lượt là trung điểm của . Biết .
a) So sánh độ dài hai cạnh và .
b) So sánh hai góc và của tam giác .
Bài 7: Cho đường tròn và hai dây bằng nhau cắt nhau tại bên trong đường tròn.
a) Chứng minh là đường phân giác của góc tạo bởi hai dây và .
b) Chứng minh và .
Bài 8: Cho đường tròn và điểm nằm ngoài . Từ kẻ cát tuyến cắt tại và . Gọi là trung điểm . Chứng minh .
Bài 9 (Thực tế): Một hầm đường bộ qua núi có mặt cắt ngang là một phần hình tròn bán kính . Chiều rộng mặt đường xe chạy là . Tính chiều cao khoảng không lớn nhất từ mặt đường lên đỉnh hầm.
Bài 10 (Thực tế): Một chiếc đĩa sứ cổ bị vỡ thành một mảnh chứa cung tròn . Người ta đo được dây và khoảng cách từ trung điểm của đến đỉnh cung là . Tính bán kính của chiếc đĩa sứ ban đầu.
📊 Lời giải chi tiết 10 bài tập tự luận
Bài 1:
a) .
b) .
c) .
d) .
e) .
f) Dây là đường kính .
Bài 2:
a) .
b) .
c) .
d) .
e) .
f) .
Bài 3:
a) .
b) .
c) .
d) .
e) .
f) (AB là đường kính).
Bài 4:
a) là trung điểm .
.
b) tại là trung điểm và khoảng cách từ đến chính là .
Do đó .
Bài 5:
Khoảng cách từ đến là .
Khoảng cách từ đến là .
a) Cùng phía: Khoảng cách giữa 2 dây .
b) Khác phía: Khoảng cách giữa 2 dây .
Bài 6:
a) Vì (khoảng cách đến lớn hơn đến ) nên dây .
b) Trong tam giác , đối diện với cạnh lớn hơn là góc , đối diện với cạnh nhỏ hơn là góc .
Vì .
Bài 7:
a) Kẻ . Vì .
Xét và vuông tại : chung, (ch-cgv).
là tia phân giác của góc tạo bởi hai dây .
b) Từ câu a suy ra .
Vì .
Do đó .
Mặt khác (ĐPCM).
Bài 8:
Trong tam giác vuông tại : …
Áp dụng Pythagore: và .
Suy ra (ĐPCM).
Bài 9:
Trung điểm mặt đường .
Khoảng cách từ tâm đến mặt đường: .
Chiều cao khoảng không lớn nhất .
Bài 10:
Gọi bán kính đĩa sứ là . Trung điểm .
Đoạn .
Trong tam giác vuông tại : .
.
Bán kính đĩa sứ cổ là 10 cm.