师:同学们,今天我们一起学习圆周角。先看个示例,教练让球员在A、B、C处射门,球员所处位置对球门M、N分别形成三个张角∠MAN、∠MBN和∠MCN。这三个角大小有什么关系呢?当球员在A、B、C三处射门时,进球机会相同。从数学角度看,如果在A、B、C三处射门机会相同,可认为这三个张角相等,即∠A = ∠B = ∠C 。教练这种说法正确吗?学完今天课程就有答案。
首先复习圆心角概念,顶点在圆心的角叫圆心角。比如∠AOB为圆O的圆心角,它所对的弦为弦AB,所对的弧为弧AB。当角的顶点不在圆心,角的两边与圆的位置关系会出现哪些情况呢?看这几幅图,第一幅图,角的顶点在圆周,角的两边与圆还有两个交点;第二幅图,角的顶点在圆周,角的一边与圆还有一个交点,另一边没有交点;第三幅图,角的顶点在圆周,角的两边与圆不再有交点。我们把第一幅图中的角称为圆周角,由此得到圆周角的概念:顶点在圆上,并且两边都与圆另有一个公共点的角叫做圆周角。比如图中∠ABC为圆O的圆周角。根据圆周角概念,圆周角应具备两个特征:第一,顶点在圆上;第二,两边都和圆另有一个公共点。
学习了圆周角概念,来判断下列图中的角是不是圆周角,并说明理由。第一幅图中的角,顶点不在圆周上,不符合圆周角的第一个特征,所以它不是圆周角;第二幅图中的角,顶点同样不在圆周上,不符合圆周角第一条特征,所以也不是圆周角;第三幅图中,顶点在圆上,两条边与圆另有交点,符合圆周角的两个特征,所以这个角是圆周角;第四幅图中的角,顶点在圆上,因为角的两边是射线,与圆有交点,所以这个角也是圆周角;第五幅图中的角,顶点在圆周上,但其中一条边与圆没有交点,所以不是圆周角;第六幅图中的角,顶点在圆周上,两条边与圆不再有交点,所以也不是圆周角。
学习圆周角概念后,看这样一个特例。如图,三角形ABC是等边三角形,圆O是其外接圆,∠BAC = 60°,∠BOC = 120°,于是得到∠BAC = 1/2∠BOC 。若把等边三角形换成一般三角形,会怎样呢?任意画一个圆O及其内接三角形ABC,用量角器量出∠BAC = 53°,∠BOC = 106°,得出∠BAC = 1/2∠BOC 。现在保持BC不动,顶点A在圆周上运动,用量角器量∠BAC的度数。
当顶点A在圆周上运动时,∠BAC = 53°,∠BOC = 106°。继续移动顶点A,位置变化时,始终量出∠BAC = 53°,∠BOC = 106°。当顶点A运动到劣弧BC上时,测得∠BAC = 127°。由前面移动过程,猜想出结论:当点A在优弧上移动时,∠BAC = 1/2∠BOC 。
如何证明这个结论呢?以圆O上任意一点A为顶点的圆周角,按圆心与圆周角的位置关系,存在以下三种情况:第一种,圆心O在∠BAC的内部;第二种,圆心O在∠BAC的一边上;第三种,圆心O在∠BAC的外部。下面分三种情况证明。
第一种情况,圆心O在∠BAC的一边上。因为OA和OC是圆O的半径,所以OA = OC,此时三角形OAC是等腰三角形,可得∠A = ∠C 。而∠BOC是三角形OAC的外角,所以∠BOC = ∠A + ∠C,即∠BOC = 2∠A,从而得到∠BAC = 1/2∠BOC 。
第二种情况,圆心O在∠BAC的内部。根据第一种情况证明思路,先连接并延长AO交圆O于点E。因为OA = OB,所以三角形AOB是等腰三角形。由第一种情况结论可得∠1 = 1/2∠3。同理,在虚线右侧,三角形AOC也是等腰三角形,所以∠2 = 1/2∠4。根据等式性质,∠1 + ∠2 = 1/2∠3 + 1/2∠4,即证明了∠BAC = 1/2∠BOC仍然成立。
第三种情况,圆心O在∠BAC的外部。依旧连接AO并延长交圆O于点E。OA = OB构成等腰三角形OAB,OA = OC构成等腰三角形OAC。由第一种情况结论可知∠1 = 1/2∠3,同理∠EAC = 1/2∠EOC 。利用等式性质,∠EAC - ∠1 = 1/2∠EOC - 1/2∠3,即∠BAC = 1/2∠BOC 。三种情况都证明得出∠BAC = 1/2∠BOC ,于是得到圆周角定理:一条弧所对的圆周角等于它所对圆心角的一半。如图,∠BAC是弧BC所对的圆周角,∠BOC是弧BC所对的圆心角,所以∠BAC = 1/2∠BOC 。
看例一,如图,BC是圆O的直径,A、D为圆上两点,∠AOC = 130°,则∠D等于多少度?点D在圆O上,∠D是弧AB所对的圆周角,弧AB所对的圆心角是∠BOA。因为BC是圆O的直径,所以∠BOC = 180°,又∠AOC = 130°,那么∠BOA = 50°。根据圆周角定理,∠D等于∠BOA的一半,所以∠D的度数是25°,答案选A。
接着看,如图,∠A、∠D是弧BC所对的两个圆周角,则∠A = ∠D 。证明一下,连接OB、OC。因为∠A是弧BC所对的圆周角,∠BOC是弧BC所对的圆心角,根据圆周角定理,∠A = 1/2∠BOC 。同理,∠D = 1/2∠BOC 。根据等式性质,可得∠A = ∠D 。于是得到结论:同弧所对的圆周角相等。如图,∠A、∠D、∠E、∠F都是弧BC所对的圆周角,构造出圆心角∠BOC,就能得到∠A = ∠D = ∠E = ∠F 。这样就能回答前面问题,教练让球员在A、B、C三处射门,A、B、C三个点都在圆周上,构成同弧MN所对的三个圆周角,根据同弧所对的圆周角相等,所以∠A = ∠B = ∠C 。
