第2课:直线的位置关系与距离

高一升高二暑假衔接班 · 苏教版选择性必修第一册
课时:90分钟难度:⭐⭐⭐教师版

一、知识梳理

1. 两条直线的平行与垂直

平行条件(斜率存在时):

l₁ ∥ l₂ ⟺ k₁ = k₂ 且 b₁ ≠ b₂

平行条件(一般式):

l₁: A₁x + B₁y + C₁ = 0,l₂: A₂x + B₂y + C₂ = 0
l₁ ∥ l₂ ⟺ A₁B₂ = A₂B₁ 且 A₁C₂ ≠ A₂C₁

垂直条件(斜率存在时):

l₁ ⊥ l₂ ⟺ k₁ · k₂ = −1

垂直条件(一般式):

l₁ ⊥ l₂ ⟺ A₁A₂ + B₁B₂ = 0
易错点:讨论平行垂直时,不要忘记斜率不存在的情况!一条水平一条竖直也互相垂直。
建议用"两看"法:一看斜率是否存在,二看斜率关系。先讨论特殊情况(斜率不存在),再讨论一般情况。

2. 两条直线的交点

联立两直线方程,解方程组:

3. 距离公式

两点间距离:

|P₁P₂| = √[(x₂ − x₁)² + (y₂ − y₁)²]

点到直线距离:

d = |Ax₀ + By₀ + C| / √(A² + B²)
直线方程必须化为一般式 Ax + By + C = 0 再代入公式!

两平行线距离:

d = |C₁ − C₂| / √(A² + B²)   (x、y 系数必须相同!)
强调"系数相同"这个前提。如果系数不同,先化简成相同系数再代入。或者用"在一条直线上取一点,求到另一条直线的距离"的方法。

4. 对称问题

点关于直线对称的核心方法:

对称问题是高考高频考点,建议用"两条件法":垂直 + 中点。让学生记住这个套路,遇到对称问题就列这两个方程。

二、典例精讲

【例 1】平行垂直判定(基础)

已知 l₁: 2x + 3y − 6 = 0,l₂: 4x + 6y + 5 = 0,l₃: 3x − 2y + 1 = 0。判断 l₁ 与 l₂、l₁ 与 l₃ 的位置关系。

解答

l₁ 与 l₂:

A₁/A₂ = 2/4 = 1/2,B₁/B₂ = 3/6 = 1/2,C₁/C₂ = −6/5 ≠ 1/2

系数成比例但常数项不成比例 ⟹ l₁ ∥ l₂

l₁ 与 l₃:

A₁A₃ + B₁B₃ = 2×3 + 3×(−2) = 6 − 6 = 0

l₁ ⊥ l₃

【例 2】求直线方程(基础→中等)

(1)求经过点 P(1, 2),且与直线 3x − 4y + 5 = 0 平行的直线方程。

(2)求经过点 Q(−1, 3),且与直线 2x − y + 1 = 0 垂直的直线方程。

解答

(1)平行:

平行则 x、y 系数相同,设所求直线为 3x − 4y + C = 0

代入 P(1, 2):3 − 8 + C = 0,C = 5

所求直线:3x − 4y + 5 = 0

注意:此题 P 恰好在已知直线上(3−8+5=0),所以两直线重合!如果题目要求"平行但不重合",则无解。

(2)垂直:

垂直则 A₁A₂ + B₁B₂ = 0,设所求直线为 x + 2y + C = 0

(交换 x、y 系数并改变其中一个的符号)

代入 Q(−1, 3):−1 + 6 + C = 0,C = −5

所求直线:x + 2y − 5 = 0

教学生一个快速设方程的技巧:
  • 平行:x、y 系数相同,改常数项
  • 垂直:交换 x、y 系数,改变其中一个的符号
【例 3】点到直线距离(基础)

求点 P(2, −1) 到直线 3x + 4y − 5 = 0 的距离。

解答

d = |3×2 + 4×(−1) − 5| / √(3² + 4²)

= |6 − 4 − 5| / √25

= |−3| / 5

= 3/5

【例 4】两平行线距离(中等)

(1)求 l₁: 2x + 3y − 1 = 0 与 l₂: 2x + 3y + 7 = 0 之间的距离。

(2)求 l₁: 3x + 4y − 2 = 0 与 l₂: 6x + 8y + 5 = 0 之间的距离。

解答

(1)系数已相同:

d = |−1 − 7| / √(2² + 3²) = 8 / √13 = 8√13 / 13

(2)系数不同,需先统一:

l₂ 化为:6x + 8y + 5 = 0 → 两边除以 2:3x + 4y + 5/2 = 0

d = |−2 − 5/2| / √(3² + 4²) = |−9/2| / 5 = 9/10

第(2)题是典型易错题。学生容易直接代入公式,忘记统一系数。要强调"先化简,再代入"。
【例 5】对称问题(提高)

求点 A(1, 2) 关于直线 l: x − y + 3 = 0 的对称点 A' 的坐标。

解答

设 A'(a, b),则:

条件 1:AA' ⊥ l

l 的斜率为 1,AA' 斜率为 −1

(b − 2)/(a − 1) = −1

b − 2 = −(a − 1)

a + b = 3 ……①

条件 2:AA' 中点在 l 上

中点 ((a+1)/2, (b+2)/2) 在 l 上

(a+1)/2 − (b+2)/2 + 3 = 0

a + 1 − b − 2 + 6 = 0

a − b = −5 ……②

联立①②:

a + b = 3,a − b = −5

解得:a = −1,b = 4

A'(−1, 4)

对称问题的标准解法就是"两条件法"。让学生记住这个套路,遇到对称问题就设对称点坐标,列两个方程。
【例 6】最值问题(提高)

已知点 A(1, 1),B(3, 5),在直线 l: x + y = 0 上找一点 P,使 |PA| + |PB| 最小。

解答

A、B 在直线同侧(代入 x+y:A→2>0,B→8>0),需要找 A 关于 l 的对称点 A'。

求 A':

设 A'(a, b)

AA' ⊥ l:(b − 1)/(a − 1) = 1(l 斜率为 −1,AA' 斜率为 1)→ b = a

中点 ((a+1)/2, (b+1)/2) 在 l 上:(a+1)/2 + (b+1)/2 = 0 → a + b = −2

由 b = a 和 a + b = −2:a = −1,b = −1,A'(−1, −1)

|PA| + |PB| 最小值 = |A'B|:

|A'B| = √[(3−(−1))² + (5−(−1))²] = √(16 + 36) = √52 = 2√13

P 点为 A'B 与 l 的交点:

A'B 方程:(y+1)/(5+1) = (x+1)/(3+1),即 (y+1)/6 = (x+1)/4

4(y+1) = 6(x+1),4y + 4 = 6x + 6,3x − 2y + 1 = 0

联立 x + y = 0:y = −x,3x + 2x + 1 = 0,x = −1/5,y = 1/5

P(−1/5, 1/5)

这是经典的"将军饮马"问题。核心思路:同侧找对称,异侧直接连。让学生记住这个模型。

三、课堂练习

一、选择题(每题 5 分)

1. 直线 l₁: ax + 2y + 6 = 0 与 l₂: x + (a−1)y + a²−1 = 0 平行,则 a = ( )
A. −1    B. 2    C. −1 或 2    D. 0
答案

B

平行条件:a(a−1) = 2×1,即 a² − a − 2 = 0,解得 a = 2 或 a = −1

验证:a = −1 时,l₁: −x + 2y + 6 = 0,l₂: x + 2y = 0,两直线重合(排除)

a = 2 时,l₁: 2x + 2y + 6 = 0 即 x + y + 3 = 0,l₂: x + y + 3 = 0,两直线重合(排除)

重新验证:a = 2 时,l₁: 2x + 2y + 6 = 0,l₂: x + y + 3 = 0,化简后相同,重合

正确答案:B(a = 2 时平行,a = −1 时重合)

2. 已知直线 l₁: (m+3)x + 4y = 5 − 3m,l₂: 2x + (5+m)y = 8 垂直,则 m = ( )
A. −3    B. −13/3    C. −3 或 −13/3    D. 以上都不对
答案

B

垂直条件:(m+3)×2 + 4×(5+m) = 0

2m + 6 + 20 + 4m = 0

6m = −26

m = −13/3

二、填空题(每题 5 分)

3. 点 P(−1, 2) 到直线 2x + y − 5 = 0 的距离为 ______。
答案

√5

d = |2×(−1) + 2 − 5| / √(4 + 1) = |−5| / √5 = √5

4. 两直线 3x + 4y − 3 = 0 与 6x + 8y + 1 = 0 之间的距离为 ______。
答案

7/10

第二式化为 3x + 4y + 1/2 = 0

d = |−3 − 1/2| / 5 = 7/10

三、解答题(每题 15 分)

5. 求经过点 P(2, −1) 且与直线 3x + 4y − 7 = 0 平行的直线方程。
解答

设 3x + 4y + C = 0,代入 P:6 − 4 + C = 0,C = −2

答案:3x + 4y − 2 = 0

6. 求经过点 Q(−1, 3) 且与直线 2x − y + 1 = 0 垂直的直线方程。
解答

设 x + 2y + C = 0,代入 Q:−1 + 6 + C = 0,C = −5

答案:x + 2y − 5 = 0

7. 求点 B(3, −2) 关于直线 l: 2x − y + 1 = 0 的对称点 B' 的坐标。
解答

设 B'(a, b):

条件 1:BB' ⊥ l

(b+2)/(a−3) = −1/2 → 2b + 4 = −a + 3 → a + 2b = −1 ……①

条件 2:中点在 l 上

2·(a+3)/2 − (b−2)/2 + 1 = 0 → 2a − b = −10 ……②

联立①②:a + 2b = −1,2a − b = −10

解:a = −21/5,b = 8/5

B'(−21/5, 8/5)

8. 已知点 M(2, 3),N(−1, −1),在 x 轴上找一点 P,使 |PM| + |PN| 最小,求 P 点坐标和最小值。
解答

M(2,3) 关于 x 轴的对称点 M'(2, −3)

|PM| + |PN| 最小值 = |M'N| = √[(−1−2)² + (−1+3)²] = √(9+4) = √13

P 为 M'N 与 x 轴的交点:

M'N 方程:(y+3)/(−1+3) = (x−2)/(−1−2),即 (y+3)/2 = (x−2)/(−3)

−3(y+3) = 2(x−2),−3y − 9 = 2x − 4,2x + 3y + 5 = 0

令 y = 0:2x + 5 = 0,x = −5/2

P(−5/2, 0),最小值 √13

这是"将军饮马"模型。M、N 在 x 轴异侧,直接连 MN 与 x 轴的交点就是 P。但题目中 M、N 在同侧,需要找对称点。

四、课堂小结

距离公式总结

类型公式注意事项
两点间距离√[(x₂−x₁)² + (y₂−y₁)²]直接代入
点到直线距离|Ax₀+By₀+C| / √(A²+B²)直线必须化为一般式
两平行线距离|C₁−C₂| / √(A²+B²)x、y 系数必须相同

对称问题方法

最值问题模型