典例7(2024·扬州)在综合实践活动中,“特殊到一般”是一种常用方法,我们可以先研究特殊情况,猜想结论,然后研究一般情况,证明结论.
在△ABC中,CA = CB,⊙O是△ABC的外接圆,点D在⊙O上,连接AD,BD,CD,AD>BD.
[特殊化感知]
(1)如图①,若∠ACB = 60°,点D在AO的延长线上,则AD - BD与CD之间的数量关系为______________;
[一般化探究]
(2)如图②,若∠ACB = 60°,点C,D在AB同侧,判断AD - BD与CD之间的数量关系并说明理由;
[拓展性延伸]
(3)若∠ACB = α,直接写出AD,BD,CD之间满足的数量关系(用含α的式子表示).
[思路点拨](1)利用等边三角形的判定与性质和含30°角的直角三角形的性质解答即可.(2)延长BD至点E,使DE = CD,连接CE,利用等边三角形的判定与性质、圆内接四边形的性质、圆周角定理和全等三角形的判定与性质解答即可.(3)利用分类讨论的思想,分两种情形讨论解答:①当点C,D在AB同侧时,以点C为圆心,CD长为半径画弧,交BD的延长线于点E,连接CE,则CE = CD,过点C作CF⊥DE于点F,利用圆内接四边形的性质、等腰三角形的性质和直角三角形的边角关系(三角函数)得到DE = 2DF = 2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$,再利用全等三角形的判定与性质,得到AD = BE,则可得结论;②当点C,D在AB两侧时,延长DB至点E,使BE = AD,连接CE,过点C作CF⊥DE于点F,利用①的方法解答即可.
在△ABC中,CA = CB,⊙O是△ABC的外接圆,点D在⊙O上,连接AD,BD,CD,AD>BD.
[特殊化感知]
(1)如图①,若∠ACB = 60°,点D在AO的延长线上,则AD - BD与CD之间的数量关系为______________;
[一般化探究]
(2)如图②,若∠ACB = 60°,点C,D在AB同侧,判断AD - BD与CD之间的数量关系并说明理由;
[拓展性延伸]
(3)若∠ACB = α,直接写出AD,BD,CD之间满足的数量关系(用含α的式子表示).
[思路点拨](1)利用等边三角形的判定与性质和含30°角的直角三角形的性质解答即可.(2)延长BD至点E,使DE = CD,连接CE,利用等边三角形的判定与性质、圆内接四边形的性质、圆周角定理和全等三角形的判定与性质解答即可.(3)利用分类讨论的思想,分两种情形讨论解答:①当点C,D在AB同侧时,以点C为圆心,CD长为半径画弧,交BD的延长线于点E,连接CE,则CE = CD,过点C作CF⊥DE于点F,利用圆内接四边形的性质、等腰三角形的性质和直角三角形的边角关系(三角函数)得到DE = 2DF = 2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$,再利用全等三角形的判定与性质,得到AD = BE,则可得结论;②当点C,D在AB两侧时,延长DB至点E,使BE = AD,连接CE,过点C作CF⊥DE于点F,利用①的方法解答即可.
答案
(1) ∵CA=CB,∠ACB=60°,∴△ABC为等边三角形. ∴∠BAC=60°. ∵AD为⊙O的直径,∴∠ABD=∠ACD=90°. ∵$\overset{\frown}{AB}=\overset{\frown}{AB}$,∴∠ADB=∠ACB=60°.
∴∠BAD=30°. ∴∠CAD=∠BAC - ∠BAD=30°. ∴在Rt△ABD和Rt△ACD中,BD=CD=$\frac{1}{2}$AD. ∴AD - BD=CD. (2) AD - BD=CD. 理由:如图①,延长BD至点E,使DE=CD,连接CE. ∵CA=CB,∠ACB=60°,∴△ABC为等边三角形. ∴∠BAC=∠ACB=∠ABC=60°. ∵四边形ABDC为圆内接四边形,∴∠CDE=∠BAC=60°. ∵DE=CD,
∴△CDE为等边三角形. ∴CE=CD,∠DCE=∠E=60°.
∵∠ACD=∠ACB+∠BCD=60°+∠BCD,∠BCE=∠BCD+∠DCE=60°+∠BCD,∴∠ACD=∠BCE. 在△ACD和△BCE中,$\begin{cases}CA = CB,\\∠ACD = ∠BCE,\\CD = CE,\end{cases}$ ∴△ACD≌△BCE.
∴AD=BE. ∵BE=BD+DE=BD+CD,∴AD=BD+CD.
∴AD - BD=CD. (3) ① 如图②,当点C,D在AB同侧时,以点C为圆心,CD长为半径画弧,交BD的延长线于点E,连接CE,过点C作CF⊥DE于点F. ∵CA=CB,∠ACB=α,
∴∠CAB=∠CBA=$\frac{1}{2}(180° - ∠ACB)=90°-\frac{\alpha}{2}$. ∵四边形ABDC为圆内接四边形,∴∠CDE=∠BAC=90°-$\frac{\alpha}{2}$. 由作图可知,CE=CD,∴∠E=∠CDE=90°-$\frac{\alpha}{2}$. ∴∠DCE=α.
∵CF⊥DE,CE=CD,∴∠DCF=∠ECF=$\frac{\alpha}{2}$,DF=EF=$\frac{1}{2}$DE=CD·sin$\frac{\alpha}{2}$. ∴DE=2DF=2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$.
∵∠ACD=∠ACB+∠BCD=α+∠BCD,∠BCE=∠DCE+∠BCD=α+∠BCD,∴∠ACD=∠BCE. 在△ACD和△BCE中,$\begin{cases}CA = CB,\\∠ACD = ∠BCE,\\CD = CE,\end{cases}$ ∴△ACD≌△BCE. ∴AD=BE.
∵BE=BD+DE=BD+2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$,∴AD=BD+2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$. ∴AD - BD=2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$. ② 如图③,当点C,D在AB两侧时,延长DB至点E,使BE=AD,连接CE,过点C作CF⊥DE于点F. ∵CA=CB,∠ACB=α,∴∠CAB=∠CBA=$\frac{1}{2}(180° - ∠ACB)=90°-\frac{\alpha}{2}$. ∵四边形ACBD为圆内接四边形,∴∠CBE=∠CAD. 在△CAD和△CBE中,$\begin{cases}CA = CB,\\∠CAD = ∠CBE,\\AD = BE,\end{cases}$ ∴△CAD≌△CBE. ∴CD=CE,∠ADC=∠E. ∵∠ADC=∠ABC=90°-$\frac{\alpha}{2}$,∴∠E=∠CDE=90°-$\frac{\alpha}{2}$. ∴∠DCE=α. ∵CF⊥DE,CD=CE,∴∠DCF=∠ECF=$\frac{1}{2}$∠DCE=$\frac{\alpha}{2}$. ∴DF=EF=$\frac{1}{2}$DE=CD·sin$\frac{\alpha}{2}$.
∴DE=2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$. ∵DE=BD+BE=BD+AD,∴AD+BD=2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$. 综上所述,当点C,D在AB同侧时,AD - BD=2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$;当点C,D在AB两侧时,AD+BD=2CD·sin$\frac{\alpha}{2}$.
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