垂径定理
垂直于弦的直径平分弦并且平分弦所对的两条弧;本质是圆的轴对称性,常用勾股定理计算弦长。
适用前提与边界条件
- 圆的基本概念(弦、弧、弦心距)
- 勾股定理
- 等腰三角形三线合一
定义
垂径定理:垂直于弦的直径平分这条弦,并且平分弦所对的两条弧。
推论(知二求三):设圆半径为 ,弦长为 ,圆心到弦的距离(弦心距)为 ,则
为什么被平分的弦不能是直径:若 也是直径,两条直径当然互相平分,但一般不互相垂直。所以逆着用定理说「平分弦的直径垂直于弦」时,必须注明这条弦不是直径——这是定理里唯一需要留意的前提。
四个量之间的关系
实际问题中还常出现弓形高 (弧的最高点到弦的距离)。它与弦心距的关系是:
- 弓形小于半圆时,
- 弓形大于半圆时,
于是 、、、 这四个量里知道任意两个,就能求其余:
| 已知 | 求 | 公式 |
|---|---|---|
| 、 | ||
| 、 | ||
| 、 | ||
| 、 |
最后一条正是「赵州桥」那类题的通用公式:已知跨度 与拱高 ,直接求半径。
要反复提醒的是:代入公式的必须是半弦 ,把弦长当半弦代进去,是这一节最常见的错误。
推导
连 、,则 , 是等腰三角形。
,即 是等腰 底边上的高。由三线合一(顶角平分线、底边中线、底边高三线合一):
再由圆的轴对称性:直线 过圆心 ,是 的对称轴; 关于 的对称点是 ,弧 的对称点是弧 ,故
推论: 为 中点,半弦 ;在 Rt 中由勾股定理:
典例精析
赵州桥拱是圆弧,跨度(弦长) 米,拱高(弓形高) 米,求半径。
设半径 ,圆心 ,弦 ,拱高 。弦心距 。
由推论(半弦 ):
展开:,解得
即拱所在的圆半径约为 米。这类题用上面表格的最后一条公式也能一次算出,两法应当一致。
再练一道逆用的:圆中弦 ,圆心到它的距离为 ,求圆的半径;若另一条弦 长为 ,求圆心到 的距离。
由 :半弦为 ,故 。
由 :半弦为 ,故弦心距为 。
两问用的是同一条式子,只是已知量不同。
对比
| 条件组 | 结论 | 备注 |
|---|---|---|
| 直径 ⊥ 弦 | 平分弦 + 平分两弧 | 弦非直径 |
| 平分弦(非直径)的直径 | ⊥ 弦 + 平分弧 | 逆用 |
| 弦的垂直平分线 | 过圆心 + 平分弧 | 逆用 |
| 知 、 | 勾股计算 | |
| 知 、 | 勾股计算 |
与其他知识的联系
垂径定理的依据是圆的轴对称性:任何一条直径所在的直线都是对称轴,而对称轴垂直平分对称点的连线。所以它与「圆是轴对称图形」说的是同一件事。
它的直接产物是「半径、半弦、弦心距」这个直角三角形——圆里几乎所有计算题都从这里起步。往后,圆心角、弧、弦、弦心距四组量的等价关系会以它为基础建立起来;而证明切线、求阴影面积等问题,第一步往往也是作一条弦心距。
正例与反例
✅ 正例
- 半径 5,弦长 8,则弦心距 d=√(25-16)=3
- 弓形高 2、半径 5,弦长为 2√(25-9)=8
❌ 反例
- 把弦长 8 代入公式写成 d²+8²=r²——应代入半弦 4
- 以为任意两条直径都互相垂直——两条直径互相平分没错,但「平分弦的直径垂直于弦」要求弦不是直径
高频误解与考试易错
- 逆用「平分弦的直径垂直于弦」时,被平分的弦不能是直径(任意两条直径都互相平分,但一般不垂直)
- 忘记构造弦心距(半径、弦的一半、弦心距构成直角三角形)导致无从下手
- 半径 、弦 、弦心距 关系 中把弦长当半弦长
常见问题
垂径定理的依据是什么?
常说的「知二求三」指什么?
平分弧与平分弦有什么联系?
依据与出处
- 人教版(2024 审定)九年级上册 第二十九章《圆》(2026 秋起使用)