高中数学 2.5.12向量在物理中的应用举例课件 新人教A版必修4

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1.在平行四边形 ABCD 中,求证:AC2+BD2=AB2+BC2+ CD2+DA2.
证明:设∠BAD=θ,则由A→C=A→B+B→C,得 A→C2=(A→B+B→C)2, 即|A→C|2=|A→B|2+|B→C|2+2A→B·B→C, |A→C|2=|A→B|2+|B→C|2+2|A→B|·|B→C|cos θ. 由B→D=B→A+A→D得,B→D2=(B→A+A→D)2, 即|B→D|2=|B→A|2+|A→D|2+2B→A·A→D, |B→D|2=|C→D|2+|D→A|2+2|B→A|·|A→D|cos(π-θ), |B→D|2=|C→D|2+|D→A|2-2|C→D|·|D→A|cos θ.
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误区解密 推理不严谨而出错 【例题】 三角形 ABC 中,设B→C=a,C→A=b,A→B=c,若 a·b =b·c=c·a,请确定三角形 ABC 的形状.
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错解一:因为 a·b=b·c=c·a,所以|a·b|=|b·c|=|c·a|,即|a||b|= |b||c|=|c||a|.
知识点 3 向量在物理学上的应用 【例 3】 某人骑车以 a km/h 的速度向东行驶,感到风是从正 北方向吹来;而当速度为 2a km/h 时,感到风是从东北方向吹来, 试求实际的风速和风向. 思路点拨:无风且以 a km/h 的速度向东行驶时,可感到 a km/h 的向西的风,此风与实际吹的风的合成即为此人感受到的风.实际 风不变,可以向量的加减运算求解.
v-2a,又由题意可知,∠PBO=45°,在△OPB 中,作 PC⊥OB
于 C,不难证得,△POC≌△POA≌△PBC.∴|P→B|=|P→O|,∠PBC
=∠POA=45°,|v|= 2a(km/h).
答:实际吹来的风是风速为 2a km/h 的西北风.
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方法点评: 向量是既有大小又有方向的量,在实际问题中有很多这样的 量,如力、速度、位移等,因此可以用向量来解决某些实际问题.
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正解:因为 a·b=b·c,所以(a-c)·b=0,而由向量加法的三角 形法则可知,a+b+c=0,所以 b=-a-c,所以(a-c)·(-a-c) =0,即(a-c)·(a+c)=0,得到 a2-c2=0,a2=c2,即|a|2=|c|2,也 就是|a|=|c|.同理可得,|a|=|b|,所以|a|=|b|=|c|.故三角形 ABC 是 等边三角形.
由|a||b|=|b||c|得,|a|=|c|,由|b||c|=|c||a|得,|b|=|a|.所以|a|=|b| =|c|.故三角形 ABC 是等边三角形.
错解二:因为 a·b=b·c=c·a,所以 a·b=b·c,即(a-c)·b=0, 而 b≠0,所以 a-c=0,得到 a=c.同理由 b·c=c·a 得到 a=b.所以 a=b=c,故三角形 ABC 是等边三角形.
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知识点 2 用向量解答有关代数问题 【例 2】 求函数 y= x2+x+1- x2-x+1的值域.
思路点拨:经过变形,该函数可以看作是两个向量的模之差的 坐标表示.
解: y= x+122+34- x-122+34, 令 a=x+12, 23,b=x-12, 23, 则 a 与 b 不共线,∴y=|a|-|b|<|a-b|=1,∴-1<y<1.
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解:|PA|2+|PB|2=|P→A|2+|P→B|2=(P→A+P→B)2-2P→A·P→B, 而P→A+P→B=P→O+O→A+P→O+O→B=2P→O, P→A·P→B=(O→A-O→P)·(O→B-O→P) =O→A·O→B-O→P(O→A+O→B)+|O→P|2=-4+|O→P|2.
纠错心得:向量是一个具有方向的量,因此,在进行向量计算 时,不能简单地照搬代数的运算方法,而应该严格按照向量的定义、 性质、运算法则进行运算.
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课堂总结 1.平面向量的应用是向量的核心内容,向量的平行和垂直是 向量间最基本最重要的位置关系,在平面几何及解析几何、物理等 方面有着重要的应用.特别是对不同解题方法进行比较,从中会体 验到向量方法的优越性所在.
A.2 B.3 C.4 D.8 【答案】B
3.某船在平静湖面的速度大小为 a,现船沿水流速度为 v 的 河流顺流而下,则此向的实际速度为________.
【答案】a+v 4.一纤夫用牵绳拉船沿直线方向前进 60 m,若牵绳与行进方 向夹角为 30°,纤夫的拉力为 50 N.则纤夫对船所做的功为 ______27页。
要点阐释 1.向量方法在几何中的应用主要体现在以下五个方面: ①证明线段相等,如证明 AB=CD,要转化为证明|A→B|=|C→D|, 如果需要,还可证明|A→B|2=|C→D|2.若知道线段的端点坐标,则可求 其模. ②证明线段平行,如证明 AB∥CD,则只要证明:存在实数 λ≠0,使A→B=λC→D,且 AB 与 CD 无公共点.如果知道线段端点的 坐标,还可采用坐标形式 x1y2-x2y1=0.
⑤求角,如求∠BAC,则只要求向量A→B,A→C的夹角即可.
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2.向量在物理学中的应用: ①求力的大小或方向; ②求速度的大小或方向; ③求加速度的大小或方向; ④求位移的大小或方向; ⑤求力所做的功; ⑥求力的分解或合成. 用向量知识解决物理问题,首先要把物理问题转化为数学问 题,即将物理量之间的关系抽象成数学模型,然后通过对这个数学 模型的研究来解释相关的物理问题.
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典例剖析 知识点 1 用向量解答几何问题
【例 1】 已知两定点 A(-2,0),B(2,0),P 是圆 C:(x-5)2+ (y-12)2=4 上的一个动点,求|PA|2+|PB|2 的最大值和最小值.
思路点拨:用向量运算,把|PA|2+|PB|2 转化为只与一个变量 (|O→P|)有关的式子,在根据|O→C|-|P→C|≤|O→P|≤|O→C|+|P→C|可求得最 大值与最小值.
所以|PA|2+|PB|2=4|O→P|2+8-2|O→P|2=2|O→P|2+8.由于|O→C|= 52+122=13,|C→P|=2,点 P 在圆上运动,所以|O→C|-|C→P|≤|O→P |≤|O→C|+|C→P|,即 11≤|O→P|≤15.
故|PA|2+|PB|2 的最大值为 458,最小值为 250.
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2.求函数 y= x2-2x+2+ x2-10x+34的值域. 解: 将函数化为 y= x-12+12+ x-52+32, 令 a=(x-1,1),b=(x-5,3) 可知 a 与 b 不共线, 所以 y=|a|+|b|≥|a-b|=|(4,-2)|= 42+22=2 5.
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也就是|B→D|2=|C→D|2+|D→A|2-2|A→B|·|B→C|cos θ. 将|A→C|2=|A→B|2+|B→C|2+2|A→B|·|B→C|cos θ 与|B→D|2=|C→D|2+|D→A|2-2|A→B|·|B→C|cos θ 相加得 |A→C|2+|B→D|2=|A→B|2+|B→C|2+|C→D|2+|D→A|2. 故在平行四边形 ABCD 中, AC2+BD2=AB2+BC2+CD2+DA2.
5.功是力与_位__移___的数量积.
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自主探究 已知直角三角形的两直角边长分别为 10 和 12,求两直角边上 的中线所夹的锐角的余弦值.
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解: 如图,设直角三角形 ABC 的∠C=90°,D,E
分别是 BC,AC 边的中点,BC=10,AC=12. 则 CD=5,CE=6. 所以|A→D|= 122+52=13, |B→E|= 62+102= 136. A→D·B→E=(A→C+C→D)·(B→C+C→E) =0+12×6×(-1)+5×10×(-1)+0=-122. 于是 cos〈A→D,B→E〉=|AA→→DD|·|BB→→EE|=13-×122234=-6144234. 故两直角边上的中线所夹的锐角的余弦值为6144234.
错解三:因为 a·b=b·c=c·a,所以 a·b=b·c,而 b≠0,所以 a =c.同理可得 a=b.所以 a=b=c,故三角形 ABC 是等边三角形.
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错因分析: 以上三种解法都犯了推理不严谨的错误.解法一错在“因为 a·b=b·c=c·a,所以|a·b|=|b·c|=|c·a|”,其实,由 a·b=b·c=c·a 不 能得到|a||b|=|b||c|=|c||a|,因为 a·b=|a||b|cos〈a,b〉≤|a||b|,只有 在 a,b 同向共线时,才有 a·b=|a||b|成立;解法二错在“即(a-c)·b =0,而 b≠0,所以 a-c=0,得到 a=c”,由(a-c)·b=0 只能得 出(a-c)⊥b,而不能得到 a=c;解法三错在“所以 a·b=b·c,而 b≠0,所以 a=c”.向量具有方向,不能像数量那样,在进行计 算时可以约分.
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3.两个粒子 a,b 从同一粒子源发射出来,在某一时刻,以粒 子源为原点,它们的位移分别为 sa=(3,-4),sb=(4,3).求:
(1)此时粒子 b 相对于粒子 a 的位移 s; (2)s 在 sa 方向上的投影.
解: (1)粒子 b 相对于粒子 a 的位移 s=sb-sa=(4,3)-(3,-4)= (1,7). (2)设 s 与 sa 的夹角为 θ,则 s 在 sa 方向上的投影为 |s|cos θ=|s||ss|··s|saa|=s|s·saa| =1×33+2+7×-4-24=-5.
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③证明线段垂直,如证明 AB⊥CD,则只要证明A→B·C→D=0, 如果给出了向量坐标,则可用 x1x2+y1y2=0.
④证明三点 A,B,C 共线,则只要证明:存在实数 λ≠0,使 A→B=λA→C.如果知道三点 A,B,C 的坐标 A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3, y3),则可用(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)=0.
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预习测评 1.已知三个力 f1=(-2,-1),f2=(-3,2),f3=(4,-3)同时 作用于某物体上一点,为使物体保持平衡,现加上一个力 f4,则 f4 等于( ) A.(-1,-2) B.(1,-2) C.(-1,2) D.(1,2) 【答案】D
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2.坐标平面内一只小蚂蚁以速度 v=(1,2)从点 A(4,6)移动到点 B(7,12),其所用时间长为( )
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解:设此人行驶的速度为 a,则|a|=a,且在无风时,此人感 到的风速为-a,风向向西,又设实际风速为 v.当此人骑车以 a km/h 的速度向东行驶时,如图 1 所示,由向量加法的三角形法则可知, P→A=v-a,且△POA 是直角三角形,∠OAP=90°.
图1
图2
当此人骑车以 2a km/h 的速度向东行驶时,如图 2 所示,P→B=
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自学导引 1.证明线段平行问题,常用向量平行(共线)的等价条件:
b∥a(a≠0)⇔b=λa 或 b∥a(a≠0)⇔x1y2-x2y1=0(其中 a=(x1,y1),
b=(x2,y2)). 2.证明垂直问题,如证明四边形是矩形、正方形等,常用向
量垂直的等价条件:a⊥b⇔a·b=0 或 a⊥b⇔x1x2+y1y2=0(其中 a=
(x1,y1),b=(x2,y2)).
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3.求直线的夹角问题,常转化为求两向量的夹角(或补角), 求向量夹角的公式为:cos θ=|aa|·|bb|= x21x+1xy2+21·yx1y22+2 y22(其中 a=(x1, y1),b=(x2,y2)).
4.速度、加速度、力、位移都是向量,它们的合成与分解就 是向量的加__、__减 __运算.
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