Mở đầu: Người ta gieo một đồng xu hình tròn bán kính 1 cm lên một tờ giấy trải phẳng. Trên tờ giấy đó có vẽ những đường thẳng song song cách đều, tức là những đường thẳng song song mà khoảng cách giữa hai đường thẳng bất kì nằm cạnh nhau luôn bằng nhau. Nếu khoảng cách ấy luôn bằng 2 cm thì có thể xảy ra những trường hợp nào sau đây, vì sao?
a) Đồng xu đè lên một đường thẳng (đồng xu che khuất một phần của đường thẳng).
b) Đồng xu không đè lên đường thẳng nào?
c) Đồng xu đè lên nhiều hơn một đường thẳng.
Trả lời:
Đặt tên các đường thẳng a, b, c, d như hình vẽ dưới đây:
Đường kính của đồng xu là: 2 . 1 = 2 (cm).
a) Đường kính của đồng xu là 2 cm và bằng khoảng cách giữa hai đường thẳng song song.
Do đó, đồng xu đè có thể lên một đường thẳng (đồng xu che khuất một phần của đường thẳng).
b) Đồng xu không đè lên đường thẳng a và đường thẳng d.
c) Đồng xu chỉ cắt tối đa một đường thẳng (tức là đè lên một đường thẳng) hoặc đồng xu nằm giữa hai đường thẳng (hai đường thẳng tiếp xúc với đường tròn viền ngoài của đồng xu) hay đồng xu không đè lên đường thẳng nào.
Do đó, không xảy ra trường hợp đồng xu đè lên nhiều hơn một đường thẳng.
1. Vị trí tương đối của đường thẳng và đường tròn
Hoạt động 1: Cho đường thẳng a và điểm O. Gọi H là chân đường vuông góc hạ từ O xuống a, và A là một điểm thuộc tia OH. Trong mỗi trường hợp sau đây, hãy vẽ đường tròn (O; OA) và cho biết đường thẳng a và đường tròn (O; OA) có bao nhiêu điểm chung?
Trả lời:
a) Đường thẳng a và đường tròn có 2 điểm chung.
b) Đường thẳng a và đường tròn có 1 điểm chung.
c) Đường thẳng a và đường tròn không có điểm chung.
Luyện tập 1: Cho đường thẳng a và điểm O cách a một khoảng bằng 4 cm. Không vẽ hình, hãy dự đoán xem mỗi đường tròn sau cắt, tiếp xúc hay không cắt đường thẳng a. Tại sao?
a) (O; 3 cm).
b) (O; 5 cm).
c) (O; 4 cm).
Trả lời:
a) Đường thẳng a không cắt đường tròn vì R = 3 cm < d = 4 cm.
b) Đường thẳng a cắt đường tròn vì R = 5 cm > d = 4 cm.
c) Đường thẳng a tiếp xúc đường tròn vì R = d = 4 cm.
2. Dấu hiệu nhận biết tiếp tuyến của đường tròn
Hoạt động 2: Cho đoạn thẳng OH và đường thẳng a vuông góc với OH tại H.
a) Xác định khoảng cách từ O đến đường thẳng a.
b) Nếu vẽ đường thẳng (O; OH) thì đường tròn này và đường thẳng a có vị trí tương đối như thế nào?
Trả lời:
a) Khoảng cách từ O đến đường thẳng a bằng OH.
b) Đường tròn (O; OH) tiếp xúc với đường thẳng a.
Luyện tập 2: Cho một hình vuông có độ dài mỗi cạnh bằng 6 cm và hai đường chéo cắt nhau tại I. Chứng minh rằng đường tròn (I; 3 cm) tiếp xúc với cả bốn cạnh của hình vuông.
Trả lời:
Gọi ABCD là hình vuông có độ dài mỗi cạnh bằng 6 cm; H là chân đường vuông góc kẻ từ I đến BC.
Khi đó H cũng là trung điểm của BC.
Do ABCD là hình vuông nên AC và BD vuông góc.
Tam giác IBC vuông tại I có trung tuyến IH
Suy ra:.
Suy ra đường tròn (I; 3 cm) tiếp xúc với cạnh BC.
Tương tự ta cũng chứng minh được (I; 3 cm) tiếp xúc với 3 cạnh còn lại.
Vậy (I; 3 cm) tiếp xúc với cả bốn cạnh của hình vuông.
Thực hành: Cho đường thẳng a và điểm M không thuộc a. Hãy vẽ đường tròn tâm M tiếp xúc với a.
Trả lời:
− Từ điểm M kẻ MH ⊥ a (H ∈ a).
− Vẽ đường tròn tâm M, bán kính MH.
− Từ đó ta vẽ được đường tròn tâm M tiếp xúc với a.
Vận dụng: Trở lại tình huống mở đầu. Ở đây, ta hiểu đồng xu nằm đè lên một đường thẳng khi đường tròn (hình ảnh của đồng xu) và đường thẳng ấy cắt nhau.
Bằng cách xét vị trí của tâm đồng xu trong một dải nằm giữa hai đường thẳng song song cạnh nhau (cách đều hoặc không cách đều hai đường thẳng đó), hãy chứng minh rằng chỉ xảy ra các trường hợp a và b, không thể xảy ra trường hợp c.
Trả lời:
Đặt tên các đường thẳng a, b, c, d như hình vẽ dưới đây:
Đường kính của đồng xu là: 2 . 1 = 2 (cm).
a) Đường kính của đồng xu là 2 cm và bằng khoảng cách giữa hai đường thẳng song song.
Do đó, đồng xu đè có thể lên một đường thẳng (đồng xu che khuất một phần của đường thẳng).
b) Đồng xu không đè lên đường thẳng a và đường thẳng d.
c) Đồng xu chỉ cắt tối đa một đường thẳng (tức là đè lên một đường thẳng) hoặc đồng xu nằm giữa hai đường thẳng (hai đường thẳng tiếp xúc với đường tròn viền ngoài của đồng xu) hay đồng xu không đè lên đường thẳng nào.
Do đó, không xảy ra trường hợp đồng xu đè lên nhiều hơn một đường thẳng.
Vậy chỉ xảy ra các trường hợp a và b, không thể xảy ra trường hợp c.
3. Hai tiếp tuyến cắt nhau của một đường tròn
Hoạt động 3: Cho điểm M ở bên ngoài một đường tròn tâm O. Hãy dùng thước và compa thực hiện các bước vẽ hình như sau:
− Vẽ đường tròn đường kính MO cắt đường tròn (O) tại A và B;
− Vẽ và chứng tỏ các đường thẳng MA và MB là hai tiếp tuyến của (O).
Trả lời:
Đường tròn đường kính PO cắt đường tròn (O) tại A và B.
=>OA=OB và PA=PB
Xét ΔPAO và ΔPBO có
PO chung
OA=OB
PA=PB
=> ΔPAO = ΔPBO(c.c.c)
Mà 
đường kính)
=>
=> PA và PB là hai tiếp tuyến của (O).
Hoạt động 4: (Dựa vào hình vẽ có được sau HĐ3). Bằng cách xét hai tam giác OMA và OMB, chứng minh rằng:
a) MA = MB;
b) MO là tia phân giác của góc AMB;
c) OM là tia phân giác của góc AOB.
Trả lời:
Thử thách nhỏ: Cho góc xMy và điểm A thuộc tia Mx. Hãy vẽ đường tròn tâm O tiếp xúc với cả hai cạnh của góc xMy sao cho A là một trong hai tiếp điểm.
Trả lời:
− Vẽ góc xMy, lấy điểm A trên Mx.
− Vẽ tia Oz là tia phân giác của góc xMy.
− Từ A kẻ At ⊥ Mx, tia At cắt tia Mz tại điểm O.
− Vẽ đường tròn (O; OA), ta được đường tròn tâm O tiếp xúc với cả hai cạnh của góc xMy sao cho A là một trong hai tiếp điểm.
Bài tập
Bài 5.20: Bạn Thanh cắt 4 hình tròn bằng giấy có bán kính lần lượt là 4 cm, 6 cm, 7 cm và 8 cm để dán trang trí trên một mảnh giấy, trên đó có vẽ trước hai đường thẳng a và b. Biết rằng a và b là hai đường thẳng song song với nhau và cách nhau một khoảng 6 cm (nghĩa là mọi điểm trên đường thẳng b đều cách a một khoảng 6 cm). Hỏi nếu bạn Thanh dán sao cho tâm của cả 4 hình tròn đều nằm trên đường thẳng b thì hình nào đè lên đường thẳng a, hình nào không đè lên đường thẳng a?
Trả lời:
Bài 5.21: Cho đường tròn (O) đi qua ba đỉnh A, B và C của một tam giác cân tại A, Chứng minh rằng đường thẳng đi qua A và song song với BC là một tiếp tuyến của (O).
Trả lời:
Ta có đường thẳng AO là trục đối xứng của đường tròn.
Nên B là điểm đối xứng của C qua AO.
Gọi H là giao điểm của AO và BC.
Khi đó ta có: AH ⊥ BC mà d // BC nên AH ⊥ d.
Vậy d là một tiếp tuyến của đường tròn.
Bài 5.22: Cho góc xOy với đường phân giác Ot và điểm A trên cạnh Ox, điểm B trên cạnh Oy sao cho OA = OB. Đường thẳng qua A và vuông góc với Ox cắt Ot tại M. Chứng minh rằng OA và OB là hai tiếp tuyến cắt nhau của đường tròn (M; MA).
Trả lời:
Ta có OB=OA(gt)
Mà PA vuông góc với OA tại A
Xét tam giác OPA và tam giác OPB có
OP chung
OA=OB
;
=>ΔOPA=ΔOPB(c.g.c)
=>PB cũng vuông góc với OB
=> OA, OB là hai tiếp tuyến cắt nhau của đường tròn (P;PA) .
Bài 5.23: Cho SA và SB là hai tiếp tuyến cắt nhau của đường tròn (O) (A và B là hai tiếp điểm). Gọi M là một điểm tùy ý trên cung nhỏ AB. Tiếp tuyến của (O) tại M cắt SA tại E và cắt SB tại F.
a) Chứng minh rằng chu vi của tam giác SEF bằng SA + SB.
b) Giả sử M là giao điểm của đoạn SO với đường tròn (O). Chứng minh rằng SE = SF.
Trả lời:
a)
Hai tiếp tuyến EM và EA cắt nhau tại E nên EM = EA.
Hai tiếp tuyến FM và EB cắt nhau tại F nên FM = FB.
Chu vi tam giác SEF là:
CSEF = SE + SF + EF = SE + SF + EM + MF
= SE + EA + SF + BF = SA + SB.
Vậy chu vi của tam giác SEF bằng SA + SB.
b)
Vì SA và SB là hai tiếp tuyến cắt nhau tại S nên SO là phân giác của .
Suy ra hay .
Xét ΔSME và ΔSMF có:
SM chung
Do đó ΔSME = ΔSMF (g.c.g)
Suy ra SE = SF (hai cạnh tương ứng).