直线与圆的极坐标方程

第三章参数方程、极坐标教案直线和圆的极坐标方程教案

教学目标

1．理解建立直线和圆的极坐标方程的关键是将已知条件表示成ρ与θ之间的关系式．2．初步掌握求曲线的极坐标方程的应用方法和步骤．

3．了解在极坐标系内，一个方程只能与一条曲线对应，但一条曲线即可与多个方程对应．

教学重点与难点

建立直线和圆的极坐标方程．

教学过程

师：前面我们学习了极坐标系的有关概念，了解到极坐标系是不同于直角坐标系的另一种坐标系，那么在极坐标系下可以解决点的轨迹问题吗？

问题：求过定圆内一定点，且与定圆相切的圆的圆心的轨迹方程．

师：探求轨迹方程的前提是在坐标系下，请你据题设先合理地建立一个坐标系．(巡视后，选定两个做示意图，(如图3-8，图3-9)，画在黑板上．)

解设定圆半径为R，A(m，0)，轨迹上任一点P(x，y)(或P(ρ，θ))．(1)在直角坐标系下：|ρA|=R-|Oρ|，

(两边再平方，学生都感到等式的右边太繁了．)

师：在直角坐标系下，求点P的轨迹方程的化简过程很麻烦．我们看在极坐标系下会如何呢？

(2)在极坐标系下：在△AOP中

|AP|2=|OA|2+|OP|2-2|OA|·|OP|·cosθ，

即(R-ρ)2=m2+ρ2-2mρ·cosθ．

化简整理，得

2mρ·cosθ-2Rρ=m2-R2，

师：对比两种解法可知，有些轨迹问题在极坐标系下解起来反而简

坐标方程有什么不同呢？这就是今天这节课的讨论内容．

一、曲线的极坐标方程的概念

师：在直角坐标系中，曲线用含有变量x和y的方程f(x，y)=0表示．那么在极坐标系中，曲线用含有变量ρ和θ的方程f(ρ，θ)=0来表示，也就是说方程f(ρ，θ)=0应称为极坐标方程，如上面问题中的：ρ=

(投影)

定义：一般地，在直角坐标系中，如果曲线C上的点与一个二元方程f(x，y)=0的实数解建立了如下的关系：

1．曲线上的点的坐标都是这个方程的解；

2．以这个方程的解为坐标的点都是曲线上的点．

那么这个方程叫做曲线的方程，这条曲线叫做方程的曲线．

师：前面的学习知道，坐标(ρ，θ)只与一个点M对应，但反过来，点M的极坐标都不止一个．推而广之，曲线上的点的极坐标有无穷多个．这无穷多个极坐标都能适合方程f(ρ，θ)=吗？如曲线ρ=θ上有一点(π，π)，它的另一种形式(-π，0)就不适合ρ=θ方程，这就是说点(π，π)适合方程，但点(π，π)的另一种表示方法(-π，0)就不适合．而(-π，0)不适合方程，它表示的点却在曲线ρ=θ上．因而在定义曲线的极坐标方程时，会与曲线的直角坐标方程有所不同．

(先让学生参照曲线的直角坐标方程的定义叙述曲线的极坐标方程的定义，再修正，最后打出投影：曲线的极坐标方程的定义)

曲线的极坐标方程定义：

如果极坐标系中的曲线C和方程f(ρ，0)=0之间建立了如下关系：

1．曲线C上任一点的无穷多个极坐标中至少有一个适合方程f(ρ，θ)=0；2．坐标满足f(ρ，θ)=0的点都在曲线C上，那么方程f(ρ，θ)=0叫做曲线C的极坐标方程．

师：下面我们学习最简单的曲线：直线和圆的极坐标方程．

求直线和圆的极坐标方程的方法和步骤应与求直线和圆的直角坐标方程的方法和步骤类似，关键是将已知条件表示成ρ和θ之间的关系式．

解 设M(ρ，θ)为射线上任意一点，

因为∠xOM=θ，

师：过极点的射线的极坐标方程的形式你能归纳一下吗？

生：是．

师：一条曲线可与多个方程对应．这是极坐标方程的一个特点．你能猜想一下过极点的直线的极坐标方程是什么形式吗？

学生讨论后，得出：θ=θ0(θ0是倾斜角，ρ∈R)是过极点的直线的极坐标方

程．师：把你认为在极坐标系下，有特殊位置的直线都画出来．

例2 求适合下列条件的极坐标方程：

(1)过点A(3，π)并和极轴垂直的直线；

解 (1)设M(ρ，θ)是直线上一点(如图3-15)，

即ρcos θ=-3为所示．

解 (2)设M(ρ，θ)是直线上一点，

过M作MN⊥Ox于N，

则|MN|是点B到Ox的距离，

师：不过极点也不垂直极轴、不平行极轴的直线的极坐标方程如何确立呢？

例3 求极坐标平面内任意位置上的一条直线l的极坐标方程(如图3-17，图3-18)．

让学生根据以上两个图形讨论确定l的元素是什么？

结论直线l的倾斜角α，极点到直线l的距离|ON|可确定直线l的位置．

解设直线l与极轴的夹角为α，极点O到直线l的距离为p(极点O到直线l的距离是唯一的定值，故α、p都是常数)．

直线l上任一点M(ρ，θ)，则在Rt△MNO中|OM|·sin∠OMN=|ON|，

即ρsin(α-θ)=p为直线l的极坐标方程．(如图3-19，图3-20)

师：直线的极坐标方程的一般式：ρsin(α-θ)=p，其中α是直线的倾斜角，p 是极点到l的距离，当α、p取什么值时，直线的位置是特殊情形呢？

当α=π时，ρsinθ=p，直线平行极轴；

当p=0时，θ=α，是过极点的直线．

师：以上我们研究了极坐标系内的直线的极坐标方程．在极坐标系中的圆的方程如何确立呢？如图3-21：

圆上任一点M(r，θ)，即指θ∈R时圆上任一点到极点的距离总是r，于是ρ=r 是以极点为圆心r为半径的一个圆的极坐标方程．

师：和在直角坐标系中，把x=a和y=b看作是二元方程一样，θ=θ

及ρ=r也

中，ρ不出现，说明ρ可取任何非负实数值；应看作是二元方程．在方程θ=θ

同样，在方程ρ=r中，θ不出现，说明θ可取任何实数值．

例4 求圆心是A(a，0)，半径是a的圆的极坐标方程．

(让学生画图，教师巡视参与意见)

解设⊙A交极轴于B，则|OB|=2a，圆上任意一点M(ρ，θ)，则据直径上的圆周角是直角可知：OM⊥MB，于是在Rt△OBM中，|OM|=|OB|cosθ，即ρ=2acosθ就是所求圆的极坐标方程．如图3-22．

师：在极坐标系下，目前我们理解下面几种情形下的圆的极坐标方程即可．

让学生自己得出极坐标方程．

图3-23：ρ=2rcosθ；

图3-24：ρ=-2rcosθ；

图3-25：ρ=2rsinθ；

图3-26：ρ=-2rsinθ．

师：建立直线和圆的极坐标方程的步骤与建立直线和圆的直角坐标方程的步骤一样，你能小结一下吗？

(投影)分4个步骤：

(1)用(ρ，θ)表示曲线上任意一点M的坐标；

(2)写出适合条件ρ的点M的集合P=｛M|p(M)｝；

(3)用坐标表示条件ρ(M)，列出方程f(ρ，θ)=0；

(4)化方程f(ρ，θ)=0为最简形式．

练习：分别作出下列极坐标方程表示的曲线

(2)ρcosθ=sin2θ(cosθ=0或ρ=2sinθ)；

设计说明

直线和圆的极坐标方程一节的教学重点是如何根据条件列出等式．至于在极坐标

系中由于点的极坐标的多值性，而带来的曲线的极坐标方程与直角坐标系中的方程有不同的性质，这一点只需学生了解即可．另外，由于删除了3种圆锥曲线的统一的极坐标方程，实际上就降低了对极坐标一节学习的难度．所以用一课时来学习曲线的极坐标方程只能是在前面学习曲线的直角坐标方程的基础上初步掌握建立极坐标方程的方法．为此本节课围绕着这一主题进行了充分的课堂活动，达到了教学目的