人教新课标版数学高一必修四教案 2.5.2向量在物理中的应用举例
高一数学：2.5.2《向量在物理中的应用举例》教案(人教A版必修4)
2.5.2向量在物理中的应用举例教学目的：1.通过力的合成与分解模型、速度的合成与分解模型，掌握利用向量方法研究物理中相关问题 的步骤，明了向量在物理中应用的基本题型，进一步加深对所学向量的概念和向量运算的认识；2.通过对具体问题的探究解决，进一步培养学生的数学应用意识，提高应用数学的能力，体会 数学在现实生活中的作用.教学重点：运用向量的有关知识对物理中的力的作用、速度分解进行相关分析来计算.教学难点：将物理中有关矢量的问题转化为数学中向量的问题.教学过程：一、复习引入： 1..,2,,62:),0,1(的轨迹方程求点若上的一点是直线点直线已知P AP RA l R x y l A =-=2. 你能掌握物理中的哪些矢量？向量运算的三角形法则与四边形法则是什么？二、讲解新课：例1. 在日常生活中，你是否有这样的经验：两个人共提一个旅行包，夹角越大越费力；在单杠上做引体向上运动，两臂的夹角越小越省力. 你能从数学的角度解释这种形象吗？探究1：(1)θ为何值时，|1F |最小，最小值是多少? (2)| 1F |能等于|G |吗?为什么?探究2:你能总结用向量解决物理问题的一般步骤吗?(1)问题的转化：把物理问题转化为数学问题；(2)模型的建立：建立以向量为主体的数学模型；(3)参数的获得：求出数学模型的有关解——理论参数值；(4)问题的答案：回到问题的初始状态， 解决相关物理现象.例2. 如图，一条河的两岸平行，河的宽度d ＝500 m ，一艘船从A 处出发到河对岸.已知船的速度|1v |＝10 km/h ，水流速度|2v |＝2 km/h ，问行驶航程最短时，所用时间是多少（精确到0.1 min ）？思考:1. “行驶最短航程”是什么意思？2. 怎样才能使航程最短？. ,|,23|, 231),2(,|,| ,)2,1(),1,0(),,1(.32 12 1212121的值时，求则当处、秒时分别在在时刻、设速度为相同的方向做匀速运动开始沿着与从另有一动点速度为相同的方向做匀速运动开始沿着与向量从今有动点有两个向量例tQPPQQPtQPeee eQQeeeePPee⊥=++--++-==三、课堂小结向量解决物理问题的一般步骤:(1)问题的转化：把物理问题转化为数学问题；(2)模型的建立：建立以向量为主体的数学模型；(3)参数的获得：求出数学模型的有关解——理论参数值；(4)问题的答案：回到问题的初始状态，解决相关物理现象.四、课后作业1. 阅读教材P.111到P.112;。
人教A版高中数学必修4《二章 平面向量 2.5 平面向量应用举例 2.5.2 向量在物理中的应用举例》优质课课件_3
v2
思考2：如果船沿与上游河岸成60°方向 行驶，那么船的实际速度v的大小是多少？
v1
v
60°
|v|2＝| v1＋v2|2＝（v1＋v2）2＝84.
思考3：船应沿什么方向行驶，才能使航
程最短？
B
与上游河岸的夹角为
v1 v
78.73°.
C
A v2
思考4：如果河的宽度d＝500m，那么船
行驶到对岸至少要几分钟？
2.5 平面向量应用举例
2.5.2 向量在物理中的应 用举例
复习引入：
已知A(1, 0), 直线l : y 2x 6, 点R是直线l上的一点,若RA 2AP,求点P的轨迹方程.
探究（一）：向量在力学中的应用
向量是从物理学中抽象出来的数学概念，在物 理中，通常被称为矢量！在物理学，工程技术 中有广泛的应用，因此，我们要明确掌握用向 量研究物理问题的相关知识！
1、向量既是有大小又有方向的量，物理学中，力、 速度、加速度、位移等都是向量！
2、力、加速度、位移等的合成和分解就是向量 的加减法，运动的叠加也用到向量的合成！
3、功的定义即是F与所产生位移S的数量值 4 、 向量的三角形法则和平行四边形是什么？
例3：在生活中，你是否有这样的经验：两个人共提
一个旅行包，夹角越大越费力；在单杠上做引体向上
v1 v v2
把物理问题转化为数学模型为：
（1）
B
解（1）v = 所以
- v1 2
2
v2
= 96
v1
v
t = d = 0.5
v
96
60 ~~ 3.1（min）
答：行驶的航程最短时，所用的时间 是3.1min。Βιβλιοθήκη Av2（2）
高中数学必修四教案-向量在物理中的应用举例
2.5.2 向量在物理中的应用举例整体设计教学分析向量与物理学天然相联.向量概念的原型就是物理中的力、速度、位以及几何中的有向线段等概念,向量是既有大小、又有方向的量,它与物理学中的力学、运动学等有着天然的联系,将向量这一工具应用到物理中,可以使物理题解答更简捷、更清晰.并且向量知识不仅是解决物理许多问题的有利工具,而且用数学的思想方法去审视相关物理现象,研究相关物理问题,可使我们对物理问题的认识更深刻.物理中有许多量,比如力、速度、加速度、位移等都是向量,这些物理现象都可以用向量来研究.用向量研究物理问题的相关知识.(1)力、速度、加速度、位移等既然都是向量,那么它们的合成与分解就是向量的加、减法,运动的叠加亦用到向量的合成;(2)动量是数乘向量;(3)功即是力与所产生位移的数量积.用向量知识研究物理问题的基本思路和方法.①通过抽象、概括,把物理现象转化为与之相关的向量问题;②认真分析物理现象,深刻把握物理量之间的相互关系;③利用向量知识解决这个向量问题,并获得这个向量的解;④利用这个结果,对原物理现象作出合理解释,即用向量知识圆满解决物理问题.教学中要善于引导学生通过对现实原型的观察、分析和比较,得出抽象的数学模型.例如,物理中力的合成与分解是向量的加法运算与向量分解的原型.同时,注重向量模型的运用,引导解决现实中的一些物理和几何问题.这样可以充分发挥现实原型对抽象的数学概念的支撑作用.三维目标1.通过力的合成与分解的物理模型,速度的合成与分解的物理模型,掌握利用向量方法研究物理中相关问题的步骤,明了向量在物理中应用的基本题型,进一步加深对所学向量的概念和向量运算的认识.2.通过对具体问题的探究解决,进一步培养学生的数学应用意识,提高应用数学的能力.体会数学在现实生活中的重要作用.养成善于发现生活中的数学,善于发现物理及其他科目中的数学及思考领悟各学科之间的内在联系的良好习惯.重点难点教学重点:1.运用向量的有关知识对物理中力的作用、速度的分解进行相关分析和计算.2.归纳利用向量方法解决物理问题的基本方法.教学难点:将物理中有关矢量的问题转化为数学中向量的问题.课时安排1课时教学过程导入新课思路1.(章头图引入)章头图中,道路、路标体现了向量与位移、速度、力等物理量之间的密切联系.章引言说明了向量的研究对象及研究方法.那么向量究竟是怎样应用于物理的呢？它就像章头图中的高速公路一样,是一条解决物理问题的高速公路.在学生渴望了解的企盼中,教师展示物理模型,由此展开新课.思路2.(问题引入)你能举出物理中的哪些向量?比如力、位移、速度、加速度等,既有大小又有方向,都是向量,学生很容易就举出来.进一步,你能举出应用向量来分析和解决物理问题的例子吗?你是怎样解决的？教师由此引导:向量是有广泛应用的数学工具,对向量在物理中的研究,有助于进一步加深对这方面问题的认识.我们可以通过对下面若干问题的研究,体会向量在物理中的重要作用.由此自然地引入新课.应用示例例1 在日常生活中,你是否有这样的经验:两个人共提一个旅行包,夹角越大越费力;在单杠上做引体向上运动,两臂的夹角越小越省力.你能从数学的角度解释这种现象吗?活动:这个日常生活问题可以抽象为如图1所示的数学模型,引导学生由向量的平行四边形法则,力的平衡及解直角三角形等知识来思考探究这个数学问题.这样物理中力的现象就转化为数学中的向量问题.只要分析清楚F 、G 、θ三者之间的关系(其中F 为F 1、F 2的合力),就得到了问题的数学解释.图 1在教学中要尽可能地采用多媒体,在信息技术的帮助下让学生来动态地观察|F |、|G |、θ之间在变化过程中所产生的相互影响.由学生独立完成本例后,与学生共同探究归纳出向量在物理中的应用的解题步骤,也可以由学生自己完成,还可以用信息技术来验证.用向量解决物理问题的一般步骤是:①问题的转化,即把物理问题转化为数学问题;②模型的建立,即建立以向量为主体的数学模型;③参数的获得,即求出数学模型的有关解——理论参数值;④问题的答案,即回到问题的初始状态,解释相关的物理现象.解:不妨设|F 1|=|F 2|,由向量的平行四边形法则、力的平衡以及直角三角形的知识,可以知道2cos 2||||||212cos 1θθG F G ⇒= 通过上面的式子,我们发现:当θ由0°到180°逐渐变大时,2θ由0°到90°逐渐变大,cos 2 的值由大逐渐变小,因此|F 1|由小逐渐变大,即F 1,F 2之间的夹角越大越费力,夹角越小越省力. 点评:本例是日常生活中经常遇到的问题,学生也会有两人共提一个旅行包以及在单杠上做引体向上运动的经验.本例的关键是作出简单的受力分析图,启发学生将物理现象转化成模型,从数学角度进行解释,这就是本例活动中所完成的事情.教学中要充分利用好这个模型,为解决其他物理问题打下基础.得到模型后就可以发现,这是一个很简单的向量问题,这也是向量工具优越性的具体体现.变式训练某人骑摩托车以20 km/h 的速度向西行驶,感到风从正南方向吹来,而当其速度变为40 km/h 时,他又感到风从西南方向吹来,求实际的风向和风速.图2解:如图2所示.设v 1表示20 km/h 的速度,在无风时,此人感到的风速为-v 1,实际的风速为v ,那么此人所感到的风速为v +(-v 1)=v -v 1.令AB =-v 1,AC =-2v 1,实际风速为v .∵DA +AB =DB ,∴DB =v -v 1,这就是骑车人感受到的从正南方向吹来的风的速度.∵DA +AC =DC ,∴DC =v -2v 1,这就是当车的速度为40 km/h 时,骑车人感受到的风速.由题意得∠DC A=45°,DB ⊥AB,AB=BC,∴△DCA 为等腰三角形,DA=DC ,∠DA C=∠DC A=45°.∴DA=DC=2BC=202.∴|v |=202 km/h.答:实际的风速v 的大小是202 km/h,方向是东南方向.例2 如图3所示,利用这个装置(冲击摆)可测定子弹的速度,设有一砂箱悬挂在两线下端,子弹击中砂箱后,陷入箱内,使砂箱摆至某一高度h.设子弹和砂箱的质量分别为m 和M,求子弹的速度v 的大小.图3解:设v 0为子弹和砂箱相对静止后开始一起运动的速度,由于水平方向上动量守恒,所以m|v |=(M+m)|v 0|. ①由于机械能守恒,所以21(M+m)v 02=(M+m)gh. ② 联立①②解得|v |=.2gh m m M 又因为m 相对于M 很小,所以|v |≈gh m M 2, 即子弹的速度大小约为gh m M 2. 知能训练1.一艘船以4 km/h 的速度沿着与水流方向成120°的方向航行,已知河水流速为2 km/h,则经过3小时,该船实际航程为( )A.215 kmB.6 kmC.84 kmD.8 km图42.如图4,已知两个力的大小和方向,则合力的大小为 N;若在图示坐标系中,用坐标表示合力F ,则F =___________.3.一艘船以5 km/h 的速度向垂直于对岸的方向行驶,而该船实际航行的方向与水流方向成30°角,求水流速度与船的实际速度.解答:1.B点评:由于学生还没有学习正弦定理和余弦定理,所以要通过作高来求.2.41 (5,4)图53.如图5所示,设表示水流速度,表示船垂直于对岸的速度,表示船的实际速度,∠AOC=30°,|OB |=5 km/h.因为OACB 为矩形,所以||=||·cot30°=||·cot30°=53≈8.66 km/h,|OC |=30cos ||=2335=10 km/h. 答:水流速度为8.66 km/h,船的实际速度为10 km/h. 点评:转化为数学模型,画出向量图,在直角三角形中解出.课堂小结1.与学生共同归纳总结利用向量解决物理问题的步骤.①问题的转化,即把物理问题转化为数学问题;②模型的建立,即建立以向量为主体的数学模型;③参数的获得,即求出数学模型的有关解——理论参数值;④问题的答案,即回到问题的初始状态,解释相关的物理现象.2.与学生共同归纳总结向量在物理中应用的基本题型.①力、速度、加速度、位移都是向量;②力、速度、加速度、位移的合成与分解对应相应向量的加减;③)动量mv是数乘向量,冲量Δt F也是数乘向量;④功是力F与位移s的数量积,即W=F·s.作业1.课本习题2.5 A组3、4,B组1、2.2.归纳总结物理学中哪些地方可用向量.设计感想1.本教案设计的指导思想是:由于本节重在解决两个问题,一是如何把物理问题转化成数学问题,也就是将物理量之间的关系抽象成数学模型;二是如何用建立起来的数学模型解释和回答相关的物理现象.因此本教案设计的重点也就放在怎样让学生探究解决这两个问题上.而把这个探究的重点又放在这两个中的第一个上,也就是引导学生认真分析物理现象、准确把握物理量之间的相互关系.通过抽象、概括,把物理现象转化为与之相关的向量问题,然后利用向量知识解决这个向量问题.2.经历是最好的老师.充分让学生经历分析、探究并解决实际问题的过程,这也是学习数学,领悟思想方法的最好载体.学生这种经历的实践活动越多,解决实际问题的方法就越恰当而简捷.教科书中对本节的两个例题的处理方法,都不是先给出解法,而是先进行分析,探索出解题思路,再给出解法,就足以说明这一点.3.突出数形结合的思想.教科书例题都是先画图进行分析的,本教案的设计中也突出了这一点.让学生在活动的时候就先想到画图,并在这个活动中,体会数形结合的应用,体会数学具有广泛的应用,体会向量这个工具的优越性.。
高中数学 2.5.2向量在物理中的应用教案人教版必修4
速度：是矢量，但是此时还不涉及其运算问题，只是让学生知道：速度是矢量；
第五节速度变化快慢的描述——加速度
加速度：是矢量，但是此时仍不涉及其运算问题，只是让学生知道：加速度也是矢量；
实例1：从高出地面3m的位置竖直向上抛出一个小球，它上升5m后回落，最后到达地面（如图）。分别以地面和抛出点为原点建立坐标系，方向均以向上为正，填写以下表格。
（4）在探究问题解决方法的过程中，展示学生的思维过程，发展学生的思维能力和解决问题的能力
二、重点难点
（1）教学重点是利用向量方法解决与物理相关的实际问题
（2）教学难点是选择适当的物理题和恰当的方法——建立以向量为主题的数学模型，将物理问题转化为数学问题
三、教学内容安排
1．复习引入，
首先提出下列思考问题：回顾用向量法解决平面几何问题的基本思维过程（三步曲），为学习用向量法解决物理及生活中的问题，奠定理论和方法的基础；
四、教学资源建议
（1）多媒体教学系统（展示相关图片或视频资料）
（2）电脑和几何画板软件（画图并演示物理现象和建模后的几何图形的性质）
（3）引导学生通过联系实际、网络等途径，进一步了解向量在物理方面的应用，加深对向量工具性功能的认识，扩大知识视野
（4）及时与相关学科保持联系，最好选用与其同期的例题。特别是物理，地理，生物等学科。不仅能培养学生应用数学解决问题的意识，使学生体会学以至用的乐趣，更有利于培养成学生自觉应用数学解决问题习惯，也能更好地为今后学好数学树立信心。
0
-3
5m
-8m
-3m
补充问题4：
第四章牛顿运动定律（高一上学期第一学段）
例题：一个滑雪人，质量m=75kg，以v0=2m/s的初速度沿山坡匀加速下滑，山坡的倾角=300，在t=5s时间内滑下的路程为X=60m，求：滑雪人受到的阻力（包括摩擦和空气阻力，重力加速度g的值取10）
人教A版高中数学必修4《2.5 平面向量应用举例 2.5.2 向量在物理中的应用举例》_4
§2.5 平面向量应用举例内容要求 1.会用向量方法解决简单的平面几何问题与物理问题(重点).2.培养运算能力、分析问题和解决实际问题的能力(难点)．知识点1向量方法在几何中的应用用向量方法解决平面几何问题的“三个步骤”：1．建立平面几何与向量的联系，用向量表示问题中涉及的几何元素，将平面几何问题转化为向量问题．2．通过向量运算研究几何元素之间的关系，如距离、夹角等问题． 3．把运算结果“翻译”成几何关系． 【预习评价】(1)在△ABC 中，若(CA →＋CB →)·(CA →－CB →)＝0，则△ABC ( ) A ．是正三角形 B ．是直角三角形 C ．是等腰三角形D ．形状无法确定解析 (CA →＋CB →)·(CA →－CB →)＝CA →2－CB →2＝0，即|CA →|＝|CB →|，∴CA ＝CB ，则△ABC 是等腰三角形．答案 C(2)已知△ABC 中，AB →＝a ，AC →＝b ，且a ·b <0，则△ABC 的形状为( ) A ．钝角三角形 B ．直角三角形 C ．锐角三角形D ．不能确定解析 a ·b ＝AB →·AC →＝|AB →|·|AC →|cos A <0，即cos A <0， 所以π2<A <π，即△ABC 是钝角三角形．答案 A知识点2 向量在物理中的应用1．物理问题中常见的向量有力、速度、位移等． 2．向量的加减法运算体现在一些物理量的合成和分解上． 3．动量m v 是向量的数乘运算． 4．功是力F 与位移s 的数量积． 【预习评价】力F ＝(－1，－2)作用于质点P ，使P 产生的位移为s ＝(3,4)，则力F 对质点P 做的功是________．解析 由题意知W ＝F ·s ＝(－1)×3＋(－2)×4＝－11． 答案 －11题型一 平面几何中的垂直问题 【例1】如图所示，在正方形ABCD 中，E ，F 分别是AB ，BC 的中点，求证：AF ⊥DE ． 证明 方法一 设AD →＝a ，AB →＝b ， 则|a |＝|b |，a ·b ＝0．又DE →＝DA →＋AE →＝－a ＋b 2，AF →＝AB →＋BF →＝b ＋a 2，所以AF →·DE →＝⎝⎛⎭⎫b ＋a 2·⎝⎛⎭⎫－a ＋b 2 ＝－12a 2－34a ·b ＋b 22＝－12|a |2＋12|b |2＝0．故AF →⊥DE →，即AF ⊥DE ．方法二 如图所示，建立平面直角坐标系，设正方形的边长为2，则A (0,0)，D (0,2)，E (1,0)，F (2,1)，则AF →＝(2,1)，DE →＝(1，－2)．因为AF →·DE →＝(2,1)·(1，－2)＝2－2＝0． 所以AF →⊥DE →，即AF ⊥DE ．规律方法 利用向量解决垂直问题的方法和途径方法：对于线段的垂直问题，可以联想到两个向量垂直的条件，即向量的数量积为0． 途径：可以考虑向量关系式的形式，也可以考虑坐标的形式．【训练1】 已知P 是正方形ABCD 对角线BD 上一点，且四边形PFCE 为矩形．求证：P A ＝EF 且P A ⊥EF ．证明 以D 为坐标原点，DC 所在直线为x 轴，DA 所在直线为y 轴，建立平面直角坐标系Oxy (如图所示)，设正方形边长为1，|OP →|＝λ，则A (0,1)，P ⎝⎛⎭⎫2λ2，2λ2，E ⎝⎛⎭⎫1，22λ，F ⎝⎛⎭⎫22λ，0， 于是P A →＝⎝⎛⎭⎫－22λ，1－22λ，EF →＝⎝⎛⎭⎫22λ－1，－22λ．∵|P A →|＝⎝⎛⎭⎫1－22λ2＋⎝⎛⎭⎫－22λ2＝λ2－2λ＋1， 同理|EF →|＝λ2－2λ＋1， ∴|P A →|＝|EF →|，∴P A ＝EF ．P A →·EF →＝⎝⎛⎭⎫－22λ⎝⎛⎭⎫2λ2－1＋⎝⎛⎭⎫1－22λ⎝⎛⎭⎫－22λ＝0，∴P A →⊥EF →.∴P A ⊥EF .【例2】 已知在Rt △ABC 中，∠C ＝90°，设AC ＝m ，BC ＝n ． (1)若D 为斜边AB 的中点，求证：CD ＝12AB ；(2)若E 为CD 的中点，连接AE 并延长交BC 于F ，求AF 的长度(用m ，n 表示)．(1)证明 以C 为坐标原点，以边CB ，CA 所在的直线分别为x 轴，y 轴建立平面直角坐标系，如图所示，则A (0，m )，B (n,0)，因为D 为AB 的中点，所以D (n 2，m 2)，所以|CD →|＝12m 2＋n 2，|AB →|＝m 2＋n 2，所以|CD →|＝12|AB →|，即CD ＝12AB ．(2)解 设F (x,0)，因为D (n 2，m 2)，所以E (n 4，m4)．AE →＝(n 4，－34m )，AF →＝(x ，－m )，由AE →∥AF →可知存在实数λ，使得AF →＝λAE →，即(x ，－m )＝λ(n 4，－34m )，即⎩⎨⎧x ＝n 4λ，－m ＝－34λm ，解得⎩⎨⎧λ＝43，x ＝n3，所以AF →＝(n3，－m )，则|AF →|＝19n 2＋m 2＝13n 2＋9m 2， 即AF ＝13n 2＋9m 2．【迁移1】 若例2的条件不变，求AE 的长． 解 由例2解析知|AE →|＝116n 2＋916m 2＝14n 2＋9m 2，即AE ＝14n 2＋9m 2． 【迁移2】 若例2的条件不变，求DF 的长． 解 由例2的解析知F (n 3，0)，D (n 2，m2)，所以DF →＝(－n 6，－m 2)，故|DF →|＝136n 2＋14m 2＝16n 2＋9m 2， 即DF ＝16n 2＋9m 2．规律方法 1.用向量法求长度的策略(1)利用图形特点选择基底，用公式|a |2＝a 2求解．(2)建立坐标系，确定相应向量的坐标a ＝(x ，y )，则|a |＝x 2＋y 2． 2．用向量法解决平面几何问题的两种思想方法(1)基向量法：选取适当的基底(基底中的向量尽量已知模或夹角)，将题中涉及的向量用基底表示，利用向量的运算法则、运算律或性质计算．(2)坐标法：建立平面直角坐标系，实现向量的坐标化，将几何问题中的长度、垂直、平行等问题转化为代数运算．【训练2】 在△ABC 中，已知A (4,1)，B (7,5)，C (－4,7)，则BC 边的中线AD 的长是( ) A ．2 5 B ．52 5C ．3 5D ．725解析 BC 中点为D ⎝⎛⎭⎫32，6，AD →＝⎝⎛⎭⎫－52，5， ∴|AD →|＝52 5．答案 B题型三 向量在物理中的应用【例3】 (1)一艘船以5 km/h 的速度垂直于对岸的方向行驶，船的实际航行方向与水流方向成30°角，则水流速度为________km/h ；解析 如图所示，船速|v 1|＝5，水速度为v 2，实际速度|v |＝10，∴|v 2|＝|v |cos 30°＝53(km/h)．答案 5 3(2)如图，用两根绳子把重10 N 的物体W 吊在水平杆子AB 上，∠ACW ＝150°，∠BCW ＝120°，求A 和B 处所受绳子的拉力的大小(忽略绳子质量)．解 设A ，B 处所受绳子的拉力分别为F 1，F 2，物体10 N 的重力用F 表示，则F 1＋F 2＝F .以点C 为F 1，F 2的始点，作平行四边形CFWE ，则CW 为对角线，CF →＝F 2，CE →＝F 1，CW →＝F ，∠ECW ＝180°－150°＝30°， ∠FCW ＝180°－120°＝60°， ∴∠FCE ＝90°． ∴四边形CFWE 为矩形．∴|CE →|＝|CW →|cos 30°＝10×32＝53(N)．|CF →|＝|CW →|cos 60°＝10×12＝5(N)．∴A 处受绳子的拉力大小为5 3 N ，B 处受绳子的拉力大小为5 N ． 规律方法 用向量解决物理问题的一般步骤 (1)问题的转化：即把物理问题转化为数学问题； (2)模型的建立：即建立以向量为主体的数学模型； (3)参数的获得，即求出数学模型的有关解——理论参数值； (4)问题的答案，即回到问题的初始状态，解释相关的物理现象．【训练3】 已知一个物体在大小为6 N 的力F 的作用下产生的位移s 的大小为100 m ，且F 与s 的夹角为60°，则力F 所做的功W ＝________ J ．解析 W ＝F ·s ＝|F ||s |cos 〈F ，s 〉 ＝6×100×cos 60°＝300(J)． 答案 300课堂达标1．在四边形ABCD 中，AB →·BC →＝0且AB →＝DC →，则四边形ABCD 是( ) A ．梯形 B ．菱形 C ．矩形D ．正方形解析 由AB →＝DC →知四边形ABCD 是平行四边形，又AB →·BC →＝0，故角B ＝90°，所以四边形ABCD 是矩形．答案 C2．一质点受到平面上的三个力F 1，F 2，F 3(单位：牛顿)的作用而处于平衡状态，已知F 1，F 2成90°角，且F 1，F 2的大小分别为2和4，则F 3的大小为( )A ．6B ．2C ．2 5D ．27解析 易知F 3＝－(F 1＋F 2)，所以|F 3|2＝(F 1＋F 2)2＝F 21＋F 22＋2F 1·F 2＝4＋16＝20，∴|F 3|＝25．答案 C3．已知点A (1,1)，M (x ，y )，且A 与M 不重合，若向量AM →与向量a ＝(1,2)垂直，则点M 的轨迹方程为________．解析 AM →·a ＝(x －1，y －1)·(1,2)＝x －1＋2y －2＝x ＋2y －3＝0.又A 与M 不重合，所以x ≠1．答案 x ＋2y －3＝0(x ≠1)4．一条河宽为8 000 m ，一船从A 出发航行垂直到达河正对岸的B 处，船速为20 km/h ，水速为12 km/h ，则船到达B 处所需时间为________h ．解析 v 实际＝v 船＋v 水＝v 1＋v 2 |v 1|＝20，|v 2|＝12， ∴|v |＝|v 1|2－|v 2|2＝202－122＝16(km/h)． ∴所需时间t ＝816＝0.5(h)．∴该船到达B 处所需的时间为0.5 h ． 答案 0.55．求等腰直角三角形中两直角边上的中线所成的钝角的余弦值．解 如图，分别以等腰直角三角形的两直角边为x 轴、y 轴建立直角坐标系．设A (2a,0)，B (0,2a )，则D (a,0)，C (0，a )， 从而可求：AC →＝(－2a ，a )，BD →＝(a ，－2a )， 不妨设AC →，BD →的夹角为θ，则cos θ＝AC →·BD →|AC →||BD →|＝(－2a ，a )·(a ，－2a )5a ·5a ＝－4a 25a 2＝－45．故所求钝角的余弦值为－45．课堂小结1．利用向量方法可以解决平面几何中的平行、垂直、夹角、距离等问题．利用向量解决平面几何问题时，有两种思路：一种思路是选择一组基底，利用基向量表示涉及的向量，另一种思路是建立坐标系，求出题目中涉及的向量的坐标．这两种思路都是通过向量的计算获得几何命题的证明．2．用向量解决物理问题一般按如下步骤进行：①转化：把物理问题转化为数学问题；②建模：建立以向量为主体的数学模型；③求解：求出数学模型的相关解；④回归：回到物理现象中，用已获取的数值去解释一些物理现象．基础过关1．两个大小相等的共点力F 1，F 2，当它们夹角为90°时，合力大小为20 N ，则当它们的夹角为120°时，合力大小为( )A ．40 NB ．10 2 NC ．20 2 ND ．10 3 N解析 |F 1|＝|F 2|＝|F |cos 45°＝102，当θ＝120°，由平行四边形法则知： |F 合|＝|F 1|＝|F 2|＝10 2 N ． 答案 B2．已知点A (－2，－3)，B (19,4)，C (－1，－6)，则△ABC 是( ) A ．等腰三角形 B ．等边三角形 C ．直角三角形D ．等腰直角三角形解析 AB →＝(21,7)，AC →＝(1，－3)，∴AB →·AC →＝0，即AB →⊥AC →，则∠A ＝90°，所以△ABC 是直角三角形．答案 C3．点O 是三角形ABC 所在平面内的一点，满足OA →·OB →＝OB →·OC →＝OC →·OA →，则点O 是△ABC 的( )A ．三个内角的角平分线的交点B ．三条边的垂直平分线的交点C ．三条中线的交点D ．三条高的交点解析 ∵OA →·OB →＝OB →·OC →， ∴(OA →－OC →)·OB →＝0． ∴OB →·CA →＝0．∴OB ⊥AC .同理OA ⊥BC ，OC ⊥AB ， ∴O 为三条高的交点． 答案 D4．飞机以300 km/h 的速度斜向上飞行，方向与水平面成30°角，则飞机在水平方向的分速度大小是________km/h ．解析 如图所示，|v 1|＝|v |cos 30°＝300×32＝1503(km/h)．答案 150 35．在直角坐标系xOy 中，已知点A (0,1)和点B (－3,4)，若点C 在∠AOB 的平分线上且|OC →|＝2，则OC →＝________．解析 ∵|OA →|＝1，|OB →|＝5， 设OC 与AB 交于D (x ，y )点， 则AD ∶BD ＝1∶5.即D 分有向线段AB 所成的比为15.则⎩⎪⎨⎪⎧x ＝－3×151＋15＝－12，y ＝1＋4×151＋15＝32，∴OD →＝⎝⎛⎭⎫－12，32. 又∵|OC →|＝2，∴|OC →|＝2OD →|OD →|＝⎝⎛⎭⎫－105，3105 答案 ⎝⎛⎭⎫－105，31056．已知两恒力F 1＝(3,4)，F 2＝(6，－5)作用于同一质点，使之由点A (20,15)移动到点B (7,0)．(1)求F 1，F 2分别对质点所做的功； (2)求F 1，F 2的合力F 对质点所做的功． 解 (1)AB →＝(7,0)－(20,15)＝(－13，－15)， W 1＝F 1·AB →＝(3,4)·(－13，－15) ＝3×(－13)＋4×(－15)＝－99(J)， W 2＝F 2·AB →＝(6，－5)·(－13，－15) ＝6×(－13)＋(－5)×(－15)＝－3(J)．∴力F 1，F 2对质点所做的功分别为－99 J 和－3 J ． (2)W ＝F ·AB →＝(F 1＋F 2)·AB → ＝[(3,4)＋(6，－5)]·(－13，－15) ＝(9，－1)·(－13，－15) ＝9×(－13)＋(－1)×(－15) ＝－117＋15＝－102(J)．∴合力F 对质点所做的功为－102 J ．7．已知正方形ABCD 中，E ，F 分别是CD ，AD 的中点，BE ，CF 交于点P .求证：(1)BE ⊥CF ；(2)AP ＝AB ．证明 建立如图所示的平面直角坐标系，设AB ＝2，则A (0,0)，B (2,0)，C (2,2)，E (1,2)，F (0,1)．(1)BE →＝(－1,2)，CF →＝(－2，－1)． ∴BE →·CF →＝(－1)×(－2)＋2×(－1)＝0， ∴BE →⊥CF →，即BE ⊥CF ．(2)设点P 坐标为(x ，y )，则FP →＝(x ，y －1)， FC →＝(2,1)，∵FP →∥FC →， ∴x ＝2(y －1)，即x ＝2y －2， 同理，由BP →∥BE →，得y ＝－2x ＋4，由⎩⎪⎨⎪⎧x ＝2y －2，y ＝－2x ＋4得⎩⎨⎧x ＝65，y ＝85，∴点P 的坐标为(65，85)．∴|AP →|＝(65)2＋(85)2＝2＝|AB →|， 即AP ＝AB ．能力提升8．如图所示，矩形ABCD 中，AB ＝4，点E 为AB 的中点，且DE →⊥AC →，则|DE →|＝( )A ．52B ．2 3C ．3D ．2 2解析 建立如图所示的直角坐标系．设|AD →|＝a (a >0)，则A (0,0)，C (4，a )，D (0，a )，E (2,0)，所以DE →＝(2，－a )，AC →＝(4，a )．因为DE →⊥AC →，所以DE →·AC →＝0，所以2×4＋(－a )·a ＝0，即a 2＝8．所以a ＝22，所以DE →＝(2，－22)，所以|DE →|＝22＋(－22)2＝23．答案 B9．质点P 在平面上作匀速直线运动，速度向量ν＝(4，－3)(即点P 的运动方向与ν相同，且每秒移动的距离为|ν|个单位)．设开始时点P 的坐标为(－10,10)，则5秒后点P 的坐标为( )A ．(－2,4)B ．(－30,25)C ．(10，－5)D ．(5，－10)解析 设(－10,10)为A ，设5秒后P 点的坐标为A 1(x ，y )，则AA 1→＝(x ＋10，y －10)，由题意有AA 1→＝5ν．即(x ＋10，y －10)＝(20，－15)⇒⎩⎪⎨⎪⎧ x ＋10＝20，y －10＝－15⇒⎩⎪⎨⎪⎧x ＝10，y ＝－5. 答案 C10．如图所示，已知点A (4,0)，B (4,4)，C (2,6)，则AC 和OB 的交点P 的坐标为________．解析 设P (x ，y )，OB →＝(4,4)，OP →＝(x ，y )，由于OB →∥OP →，所以x －y ＝0，AC →＝(－2,6)，AP →＝(x －4，y )，由于AP →∥AC →，所以6(x －4)＋2y ＝0，可得x ＝3，y ＝3，故P 的坐标是(3,3)．答案 (3,3)11．已知P ，Q 为△ABC 内的两点，且AQ →＝14AC →＋12AB →，AP →＝12AC →＋14AB →，则△APQ 的面积与△ABC 的面积之比为________．解析 如图，根据题意，P ，Q 为△ABC 中位线DE ，DF 的中点，PQ ＝12EF ＝14BC ，而A 到PQ 的距离是到BC 距离的34，根据三角形的面积公式可知，S △APQ ＝316S △ABC ．答案 31612．若a ，b 是两个不共线的非零向量，t ∈R ．(1)若a ，b 的起点相同，t 为何值时，a ，t b ，13(a ＋b )三个向量的终点在一条直线上？ (2)若|a |＝|b |且a 与b 的夹角为60°，t 为何值时，|a －t b |最小？解 (1)由题意得a －t b 与a －13(a ＋b )共线， 则设a －t b ＝m ⎣⎡⎦⎤a －13(a ＋b )，m ∈R ， 化简得⎝⎛⎭⎫23m －1a ＝⎝⎛⎭⎫m 3－t b ． 因为a 与b 不共线，所以⎩⎨⎧ 23m －1＝0，m 3－t ＝0，解得⎩⎨⎧ m ＝32，t ＝12.所以当t ＝12时，a ，t b ，13(a ＋b )三个向量的终点在一条直线上． (2)因为|a |＝|b |，所以|a －t b |2＝(a －t b )2＝|a |2＋t 2|b |2－2t |a ||b |cos 60°＝(1＋t 2－t )|a |2＝⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫t －122＋34|a |2， 所以当t ＝12时，|a －t b |有最小值32|a |． 13．(选做题)某人骑车以每小时a 千米的速度向东行驶，感到风从正北方向吹来，而当速度为每小时2a 千米时，感到风从东北方向吹来，试求实际风速和方向．解 设a 表示此人以每小时a 千米的速度向东行驶的向量，无风时此人感到风速为－a ，设实际风速为v ，那么此时人感到风速为v －a ，设OA →＝－a ，OB →＝－2a ，PO →＝v ，因为PO →＋OA →＝P A →，所以P A →＝v －a ，这就是感到由正北方向吹来的风速，因为PO →＋OB →＝PB →，所以PB →＝v －2a ．于是当此人的速度是原来的2倍时所感受到由东北方向吹来的风速就是PB →．由题意：∠PBO ＝45°，P A ⊥BO ，BA ＝AO ，从而，△POB 为等腰直角三角形，所以PO ＝PB ＝2a ，即：|v |＝2a ． 所以实际风速是每小时2a 千米的西北风．。
2013高一数学2.5.2《向量在物理中的应用举例》教案(人教A版必修4)
2.5.2向量在物理中的应用举例教学目的：1.通过力的合成与分解模型、速度的合成与分解模型，掌握利用向量方法研究物理中相关问题 的步骤，明了向量在物理中应用的基本题型，进一步加深对所学向量的概念和向量运算的认识；2.通过对具体问题的探究解决，进一步培养学生的数学应用意识，提高应用数学的能力，体会 数学在现实生活中的作用.教学重点：运用向量的有关知识对物理中的力的作用、速度分解进行相关分析来计算.教学难点：将物理中有关矢量的问题转化为数学中向量的问题.教学过程：一、复习引入： 1..,2,,62:),0,1(的轨迹方程求点若上的一点是直线点直线已知P AP RA l R x y l A =-=2. 你能掌握物理中的哪些矢量？向量运算的三角形法则与四边形法则是什么？二、讲解新课：例1. 在日常生活中，你是否有这样的经验：两个人共提一个旅行包，夹角越大越费力；在单杠上做引体向上运动，两臂的夹角越小越省力. 你能从数学的角度解释这种形象吗？探究1：(1)θ为何值时，|1F |最小，最小值是多少? (2)| 1F |能等于|G |吗?为什么?探究2:你能总结用向量解决物理问题的一般步骤吗?(1)问题的转化：把物理问题转化为数学问题；(2)模型的建立：建立以向量为主体的数学模型；(3)参数的获得：求出数学模型的有关解——理论参数值；(4)问题的答案：回到问题的初始状态， 解决相关物理现象.例2. 如图，一条河的两岸平行，河的宽度d ＝500 m ，一艘船从A 处出发到河对岸.已知船的速度|1v |＝10 km/h ，水流速度|2v |＝2 km/h ，问行驶航程最短时，所用时间是多少（精确到0.1 min ）？思考:1. “行驶最短航程”是什么意思？2. 怎样才能使航程最短？. ,|,23|, 231),2(,|,| ,)2,1(),1,0(),,1(.32 12 1212121的值时，求则当处、秒时分别在在时刻、设速度为相同的方向做匀速运动开始沿着与从另有一动点速度为相同的方向做匀速运动开始沿着与向量从今有动点有两个向量例tQPPQQPtQPeee eQQeeeePPee⊥=++--++-==三、课堂小结向量解决物理问题的一般步骤:(1)问题的转化：把物理问题转化为数学问题；(2)模型的建立：建立以向量为主体的数学模型；(3)参数的获得：求出数学模型的有关解——理论参数值；(4)问题的答案：回到问题的初始状态，解决相关物理现象.四、课后作业1. 阅读教材P.111到P.112;。
【精品】高中数学第二章平面向量2.5.2向量在物理中的应用举例教案新人教A版必修4
2.5.2 向量在物理中的应用举例1.知识与技能通过力的合成与分解模型、速度的合成与分解模型,掌握利用向量方法研究物理中相关问题的步骤,明确向量在物理中应用的基本题型,进一步加深对所学向量概念和向量运算的认识.2.过程与方法(1)经历用向量方法解决某些简单的力学问题及其他一些实际问题的过程.(2)体会向量是一种处理物理问题的工具,提高运算能力和解决实际问题的能力.(3)掌握用向量方法解决实际问题的基本方法.3.情感、态度与价值观通过对具体问题的探究解决,进一步培养学生的数学应用意识,提高应用数学的能力,体会数学的应用价值、科学价值.重点:用向量方法解决实际问题的基本方法;难点:实际问题转化为向量问题.物理问题的向量处理方法(1)力学问题的向量处理方法①解决此类问题必须用向量知识将力学问题转化为数学问题,即将力学各量之间的关系抽象成数学模型,再利用建立的数学模型解析或回答相关物理现象.例如:在重300 N的物体上系两根绳子,这两根绳子在铅垂线的两侧,与铅垂线的夹角分别为30°,60°(如图所示),求重物平衡时,两根绳子拉力的大小.分析:注意到两根绳子的夹角为90°,因此可把问题转化为解直角三角形.解:作▱OACB,使∠AOC=30°,∠BOC=60°.在△OAC中,∠ACO=∠BOC=60°,∠OAC=90°,||=||cos 30°=150(N),||=||·sin 30°=150(N),||=||=150(N).答:与铅垂线成30°角的绳子的拉力是150 N,与铅垂线成60°角的绳子的拉力是150 N.②向量是既有大小又有方向的量,它们可以有共同的作用点,也可以没有共同的作用点,但是力却是既有大小,又有方向且作用于同一作用点的.用向量知识解决力的问题,往往是把向量平移到同一作用点上.例如:如图所示,用两条成120°角的等长的绳子悬挂一个灯具,如图,已知灯具的重量10 N,则每根绳子的拉力大小是.解析:因绳子等长,所以每根绳子上的拉力和合力所成的角都相等,且等于60°,故每根绳子的拉力都是10 N.答案:10 N(2)速度、位移问题的向量处理方法①解决速度、位移问题常用的合成、分解其实就是向量的加减法,运动的叠加亦用到向量的合成.例如:一艘船以5 km/h的速度向垂直于对岸的方向行驶,航船实际航行方向与水流方向成30°角,求水流速度与船的实际速度.解:如图所示,表示水流速度,表示船向垂直于对岸行驶的速度,表示船实际速度,∠AOC=30°,||=5 km/h.∵四边形OACB为矩形,||==5(km/h)≈8.66(km/h).||==10(km/h).∴水流速度为8.66 km/h,船实际速度为10 km/h.②速度、加速度与位移的合成和分解,实质就是向量的加减法运算,而运动的叠加也用到向量的合成.a.向量在速度、加速度上的应用,实质是通过向量的线性运算解决向量问题,最后再获得物理结果.b.用向量解决速度、加速度和位移等问题,用的知识主要是向量的加法、减法以及数量乘法,有时也可借助坐标来求解.(3)向量与功、动量物理上力做功的实质是力在物体前进方向上的分力与物体位移距离的乘积,它的实质是向量的数量积.①力的做功涉及两个向量及这两个向量的夹角θ,即W=|F||s|cos θ.功是一个实数,它可正,也可负.②在解决问题时要注意数形结合.。
人教A版高中数学必修4《二章 平面向量 2.5 平面向量应用举例 2.5.2 向量在物理中的应用举例》优质课教案_3
2．5 平面向量应用举例一、教学目标（一）核心素养会用平面向量知识解决几何问题、物理问题，体验向量在解决几何问题、物理问题中的工具作用，培养学生的创新精神和数学应用意识，提高应用数学的能力．（二）学习目标1．运用向量的有关知识解决平面几何中直线或线段的平行、垂直、相等、夹角和距离等问题．2．通过力的合成与分解、速度的合成与分解模型，掌握利用向量方法研究物理中相关问题的步骤，明了向量在物理中应用的基本题型，进一步加深对所学向量概念和运算的认识．（三）学习重点理解并能灵活运用向量加减法与向量数量积的法则解决几何和物理问题．（四）学习难点选择适当的方法，将几何问题或者物理问题转化为向量问题加以解决．二、教学设计（一）课前设计1．预习任务（1）向量方法在几何中的应用：①证明线段平行问题，包括相似问题，常用向量平行(共线)的等价条件：a∥b(b≠0)⇔a＝λb⇔x1y2－x2y1＝0．②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⇔x1x2＋y1y2＝0．③求夹角问题，往往利用向量的夹角公式cos θ＝⋅a ba b＝④求线段的长度或证明线段相等，可以利用向量的线性运算、向量模的公式：|a|＝x2＋y2．（2）向量方法在物理中的应用：①力、速度、加速度、位移都是向量．②力、速度、加速度、位移的合成与分解就是向量的加、减运算，运动的叠加亦用到向量的合成． ③动量m ν是 数乘向量 ．④功即是力F 与所产生位移s 的 数量积 ． 2．预习自测（1）在△ABC 中，已知A (4，1)、B (7，5)、C (－4，7)，则BC 边的中线AD 的长是（ ）A ．2 5B ．52 5C ．3 5D ．72 5【知识点】平面向量的模长公式．【解题过程】BC 中点为D 32（,6），AD →＝5-2（,5），∴|AD →|＝525．【思路点拨】先求出向量AD →的坐标，再求出模长． 【答案】B ．（2）点O 是三角形ABC 所在平面内的一点，满足OA →·OB →＝OB →·OC →＝OC →·OA →，则点O 是△ABC 的（ ） A ．三个内角的角平分线的交点 B ．三条边的垂直平分线的交点 C ．三条中线的交点 D ．三条高的交点【知识点】向量的垂直关系，向量的减法运算． 【数学思想】转化思想．【解题过程】∵OA →·OB →＝OB →·OC →．∴(OA →－OC →)·OB →＝0．∴OB →·CA →＝0． ∴OB ⊥AC ．同理OA ⊥BC ，OC ⊥AB ，∴O 为垂心．【思路点拨】将关系式OA →·OB →＝OB →·OC →，两边移到同侧，利用向量减法运算，得到OB →·CA →＝0，从而得到OB ⊥AC ．同理OA ⊥BC ，OC ⊥AB ． 【答案】D ．（3）用力F 推动一物体水平运动s m ，设F 与水平面的夹角为θ，则对物体所做的功为（ ）A ．|F |·sB ．F cos θ·sC ．F sin θ·sD ．|F |cos θ·s【知识点】向量的内积，物理中功的定义． 【解题过程】cos cos W s s s =⋅==θθF F F ． 【思路点拨】利用内积公式可求得结果． 【答案】D ．（4）已知作用在点A 的三个力f 1＝(3，4)，f 2＝(2，－5)，f 3＝(3，1)且A (1，1)，则合力f ＝f 1＋f 2＋f 3的终点坐标为（ ） A ．(9，1)B ．(1，9)C ．(9，0)D ．(0，9)【知识点】向量加法的坐标运算．【解题过程】f ＝f 1＋f 2＋f 3＝(3，4)＋(2，－5)＋(3，1)＝(8，0)， 设合力f 的终点为P (x ，y )，则OP→＝OA →＋f ＝(1，1)＋(8，0)＝(9，1)． 【思路点拨】直接采用向量加法的坐标运算求解． 【答案】A ． (二)课堂设计 1．知识回顾（1）平行四边形法则：把这两个向量置于同一起点上，以这两个向量为邻边作平行四边形，从公共顶点出发的对角线所对应的向量就表示这两个向量的和，它适用于不共线的两个向量求和．三角形法则：把两个向量首尾相连，以第一个向量的起点为起点，以第二个向量的终点为终点的向量就表示两个向量的和，它适用于任意两个向量作和． （2）平面向量的基本定理：如果e 1、e 2是同一平面内的两个不共线向量，那么对于这一平面内的任一向量a ，有且只有一对实数λ1、λ2，使a =λ1e 1+λ2e 2．其中不共线的向量e 1、e 2叫做表示这一平面内所有向量的一组基底． （3）a ·b =|a ||b |cos θ，规定：零向量与任一向量的数量积为0，即0·b =0． 2．问题探究（1）水渠横断面是四边形ABCD ，12DC AB =uuu r uu u r，且AD BC =uuu r uu u r ，则这个四边形为等腰梯形．类比几何元素之间的关系，你会想到向量运算之间都有什么关系? （2）两个人提一个旅行包，夹角越大越费力．为什么？教师：本节主要研究了用向量知识解决平面几何和物理问题；掌握向量法和坐标法，以及用向量解决平面几何和物理问题的步骤，已经布置学生们课前预习了这部分，检查学生预习情况并让学生把预习过程中的疑惑说出来．（设计意图：步步导入，吸引学生的注意力，明确学习目标．）探究一：平面向量解决平面几何中问题的优越性①平行四边形是表示向量加法和减法的几何模型，如图1，你能观察、发现并猜想出平行四边形对角线的长度与两邻边长度之间有什么关系吗？图1②你能利用所学知识证明你的猜想吗？能利用所学的向量方法证明吗？试一试可用哪些方法？③你能总结一下利用平面向量解决平面几何问题的基本思路吗？活动：①教师引导学生猜想平行四边形对角线的长度与两邻边长度之间有什么关系．利用类比的思想方法，猜想平行四边形有没有相似关系．指导学生猜想出结论：平行四边形两条对角线的平方和等于四条边的平方和．②教师引导学生探究证明方法，并点拨学生对各种方法分析比较，平行四边形是学生熟悉的重要的几何图形，在平面几何的学习中，学生得到了它的许多性质，有些性质的得出比较麻烦，有些性质的得出比较简单．让学生体会研究几何可以采取不同的方法，这些方法包括综合方法、解析方法、向量方法．证明：方法一：如图2．图2作CE⊥AB于E，DF⊥AB于F，则Rt△ADF≌Rt△BCE．∴AD＝BC，AF＝BE．由于AC2＝AE2＋CE2＝(AB＋BE)2＋CE2＝AB2＋2AB·BE＋BE2＋CE2＝AB2＋2AB·BE＋BC2．BD 2＝BF 2＋DF 2＝(AB －AF )2＋DF 2＝AB 2－2AB ·AF ＋AF 2＋DF 2＝AB 2－2AB ·AF ＋AD 2＝AB 2－2AB ·BE ＋BC 2． ∴AC 2＋BD 2＝2(AB 2＋BC 2)． 方法二：如图3．图3以AB 所在直线为x 轴，A 为坐标原点建立直角坐标系． 设B (a ，0)，D (b ，c )，则C (a ＋b ，c )． ∴|AC |2＝(a ＋b )2＋c 2＝a 2＋2ab ＋b 2＋c 2， |BD |2＝(a －b )2＋(－c )2＝a 2－2ab ＋b 2＋c 2． ∴|AC |2＋|BD |2＝2a 2＋2(b 2＋c 2)＝2(|AB |2＋|AD |2)．用向量方法推导了平行四边形的两条对角线与两条邻边之间的关系．在用向量方法解决涉及长度、夹角的问题时，常常考虑用向量的数量积．通过以下推导学生可以发现，由于向量能够运算，因此它在解决某些几何问题时具有优越性，它把一个思辨过程变成了一个算法过程，学生可按一定的程序进行运算操作，从而降低了思考问题的难度，同时也为计算机技术的运用提供了方便．教学时应引导学生体会向量带来的优越性．因为平行四边形对角线平行且相等，考虑到向量关系DB→＝AB →－AD →，AC →＝AB →＋AD →，教师可点拨学生设AB →＝a ，AD→＝b ，其他线段对应向量用它们表示，涉及长度问题常常考虑向量的数量积，为此，我们计算|AC→|2与|DB →|2．因此有了方法三．方法三：设AB →＝a ，AD →＝b ，则AC →＝a ＋b ，DB →＝a －b ，|AB →|2＝|a |2，|AD →|2＝|b |2．∴|AC →|2＝AC →·AC →＝(a ＋b )·(a ＋b )＝a·a ＋a·b ＋b·a ＋b·b ＝|a |2＋2a·b ＋|b |2． ① 同理|DB →|2＝|a|2－2a·b ＋|b |2． ② 观察①②两式的特点，我们发现，①＋②得 |AC→|2＋|DB →|2＝2(|a|2＋|b |2)＝2(|AB →|2＋|AD →|2)，即平行四边形两条对角线的平方和等于两条邻边平方和的两倍．至此，为解决重点问题所作的铺垫已经完成，向前发展可以说水到渠成．教师充分让学生对以上各种方法进行分析比较，讨论认清向量方法的优越性，适时引导学生归纳用向量方法处理平面几何问题的一般步骤．由于平面几何经常涉及距离(线段长度)、夹角问题，而平面向量的运算，特别是数量积主要涉及向量的模以及向量之间的夹角，因此我们可以用向量方法解决部分几何问题．解决几何问题时，先用向量表示相应的点、线段、夹角等几何元素．然后通过向量的运算，特别是数量积来研究点、线段等元素之间的关系．最后再把运算结果“翻译”成几何关系，得到几何问题的结论．这就是用向量方法解决平面几何问题的“三步曲”，即：（1）建立平面几何与向量的联系，用向量表示问题中涉及的几何元素，将平面几何问题转化为向量问题；（2）通过向量运算，研究几何元素之间的关系，如距离、夹角等问题； （3）把运算结果“翻译”成几何关系． 探究二：平面几何在物理中的应用两个人提一个旅行包，夹角越大越费力．在单杠上做引体向上运动，两臂夹角越小越省力．这些问题是为什么？师：向量在物理中的应用，实际上就是把物理问题转化为向量问题，然后通过向量运算解决向量问题，最后再用所获得的结果解释物理现象．分析：上面的问题可以抽象为如右图所示的数学模型．只要分析清楚F 、G 、θ三者之间的关系（其中F 为F 1、F 2的合力），就得到了问题的数学解释．解：不妨设|F 1|=|F 2|， 由向量加法的平行四边形法则，理的平衡原理以及直角三角形的指示，可以得到|F 1|=||2cos2θG ．通过上面的式子我们发现，当θ由0~180逐渐变大时，2θ由0~90逐渐变大，F 1F 2cos2θ的值由大逐渐变小，因此，|F 1|由小逐渐变大，即F 1、F 2之间的夹角越大越费力，夹角越小越省力．师：请同学们结合刚才这个问题，思考θ为何值时，|F 1|最小，最小值是多少？答：θ=0时，|F 1|最小，等于2G ．探究三：应用示例例1．如下图，一条河的两岸平行，河的宽度d =500m ，一艘船从A 处出发到河对岸．已知船的速度|v 1|=10km /h ，水流的速度|v 2|=2km /h ，问行驶航程最短时，所用的时间是多少(精确到0.1min)？【知识点】向量的加法运算． 【数学思想】数形结合． 【解题过程】||v ==u v (km /h )，所以，60 3.1||d t v ==≈u v (min)．【思路点拨】如果水是静止的，则船只要取垂直于对岸的方向行驶，就能使行驶航程最短，所用时间最短．考虑到水的流速，要使船的行驶航程最短，那么船的速度与水流速度的合速度v 必须垂直于对岸．（用《几何画板》演示水流速度对船的实际航行的影响）本例关键在于对“行驶最短航程”的意义的解释，即“分析”中给出的船必须垂直于河岸行驶，这时船的速度与水流速度的合速度应当垂直于河岸，分析清楚这种关系后，本例就容易解决了．【答案】行驶航程最短时，所用的时间是3.1 min ．例2．如图4，Y ABCD 中，点E 、F 分别是AD 、DC 边的中点，BE 、BF 分别与AC 交于R 、T 两点，你能发现AR 、RT 、TC 之间的关系吗？图4【知识点】平面向量在平面几何中的应用． 【数学思想】转化思想，方程思想． 【解题过程】如图4，设AB→＝a ，AD →＝b ，AR →＝r ，AT →＝t ，则AC →＝a ＋b ． 由于AR→与AC →共线，所以我们设r ＝n (a ＋b )，n ∈R ． 又因为EB →＝AB →－AE →＝a －12b ，ER →与EB →共线， 所以我们设ER→＝mEB →＝m (a －12b )．因为AR→＝AE →＋ER →，所以r ＝12b ＋m (a －12b )． 因此n (a ＋b )＝12b ＋m (a －12b )，即(n －m )a ＋(n ＋m －12)b ＝0．由于向量a 、b 不共线，要使上式为0，必须⎩⎪⎨⎪⎧n －m ＝0，n ＋m －12＝0.解得n ＝m ＝13．所以AR→＝13AC →．同理TC→＝13AC →．于是RT →＝13AC →． 所以AR ＝RT ＝TC ． 【思路点拨】为了培养学生的观察、发现、猜想能力，让学生能动态地发现图形中AR 、RT 、TC 之间的相等关系，教学中可以充分利用多媒体，作出上述图形，测量AR 、RT 、TC 的长度，让学生发现AR ＝RT ＝TC ，拖动平行四边形的顶点，动态观察发现，AR ＝RT ＝TC 这个规律不变，因此猜想AR ＝RT ＝TC ．事实上，由于R 、T 是对角线AC 上的两点，要判断AR 、RT 、TC 之间的关系，只需分别判断AR 、RT 、TC 与AC 的关系即可．又因为AR 、RT 、TC 、AC 共线，所以只需判断AD →，AR→，AT →与AC →之间的关系即可．探究过程对照用向量方法解决平面几何问题的“三步曲”很容易地可得到结论．第一步，建立平面几何与向量的联系，用向量表示问题中的几何元素，将平面几何问题转化为向量问题；第二步，通过向量运算，研究几何元素之间的关系；第三步，把运算结果“翻译”成几何关系：AR ＝RT ＝TC ．【答案】AR ＝RT ＝TC ．例3．如图所示，在平行四边形ABCD 中，BC ＝2BA ，∠ABC ＝60°，作AE ⊥BD 交BC 于E ，求BEEC 的值．【知识点】平面向量的运算，在平面几何中的应用． 【数学思想】转化思想． 【解题过程】 方法一：(基向量法)设BA→＝a ，BC →＝b ，|a |＝1，|b |＝2． a·b ＝|a||b |cos 60°＝1，BD→＝a ＋b ．设BE→＝λBC →＝λb ，则AE →＝BE →－BA →＝λb －a ． 由AE ⊥BD ，得AE →·BD →＝0．即(λb －a )·(a ＋b )＝0．解得λ＝25，∴225335BE EC ==．方法二：以B 为坐标原点，直线BC 为x 轴建立平面直角坐标系，根据条件，设B (0，0)，C (2，0)，A 12（，D 52（．又设E (m ，0)，则52BD ⎛= ⎝uu u r ，1-2AE m ⎛= ⎝uu u r ． 由AE ⊥BD ，得AE →·BD→＝0．即51-022m ⎛⎫= ⎪⎝⎭，得m ＝45，∴425635BE EC ==．【思路点拨】利用向量解决平面几何问题时，有两种思路：一种思路是选择一组基底，利用基向量表示涉及的向量，一种思路是建立坐标系，求出题目中涉及到的向量的坐标．这两种思路都是通过向量的计算获得几何命题的证明． 【答案】BE EC ＝23．同类训练 已知两恒力F 1＝(3，4)，F 2＝(6，－5)，作用于同一质点，使之由点A (20，15)移动到点B (7，0)．(1)求F 1，F 2分别对质点所做的功；(2)求F 1，F 2的合力F 对质点所做的功． 【知识点】平面几何在物理做功问题中的应用． 【解题过程】(1)AB→＝(7，0)－(20，15)＝(－13，－15)， W 1＝F 1·AB →＝(3，4)·(－13，－15)＝3×(－13)＋4×(－15)＝－99(J )， W 2＝F 2·AB →＝(6，－5)·(－13，－15)＝6×(－13)＋(－5)×(－15)＝－3(J )． ∴力F 1，F 2对质点所做的功分别为－99J 和－3J ． (2)W ＝F ·AB →＝(F 1＋F 2)·AB →＝[(3,4)+(6,-5)]·(－13，－15) ＝(9，－1)·(－13，－15) ＝9×(－13)＋(－1)×(－15) ＝－117＋15＝－102(J )．∴合力F 对质点所做的功为－102 J ．【思路点拨】物体在力F 作用下的位移为s ，则W ＝F·s ＝|F|·|s |cos θ．其中θ为F与s的夹角．【答案】（1）力F1，F2对质点所做的功分别为－99 J和－3 J．（2）合力F对质点所做的功为－102 J．3．课堂总结知识梳理（1）用向量方法解决平面几何问题的“三步曲”：①建立平面几何与向量的联系，用向量表示问题中涉及的几何元素，将平面几何问题转化为向量问题；②通过向量运算，研究几何元素之间的关系，如距离、夹角等问题；③把运算结果“翻译”成几何关系．（2）利用向量解决物理问题的基本步骤:①问题转化，即把物理问题转化为数学问题；②建立模型，即建立以向量为载体的数学模型；③求解参数，即求向量的模、夹角、数量积等；④回答问题，即把所得的数学结论回归到物理问题．重难点归纳用向量知识解决平面几何、物理问题时，要注意数形结合．一般先要作出向量示意图，必要时可建立直角坐标系，再通过解三角形或坐标运算，求有关量的值．（三）课后作业基础型自主突破1．两个大小相等的共点力F1，F2，当它们夹角为90°时，合力大小为20N，则当它们的夹角为120°时，合力大小为（）A．40 N B．10 2 NC．202N D．10 3 N【知识点】向量在力的合成中的应用．【解题过程】|F1|＝|F2|＝|F|cos45°＝102，当θ＝120°，由平行四边形法则知：|F合|＝|F1|＝|F2|＝10 2 N．【思路点拨】根据平行四边形法则求解．【答案】B．2．共点力F1＝(lg2，lg2)，F2＝(lg5，lg2)作用在物体M上，产生位移s＝(2lg5，1)，则共点力对物体做的功W 为（ ）A ．lg2B ．lg5C ．1D ．2【知识点】向量坐标运算，向量在物理做功问题中的应用．【解题过程】F 1＋F 2＝(1，2lg2)．∴W ＝(F 1＋F 2)·s ＝(1，2lg2)·(2lg5，1)＝2lg5＋2lg2＝2．【思路点拨】运用坐标运算，先求合力，再利用功的公式求解．【答案】D ．3．若O 是△ABC 所在平面内一点，且满足|OB→－OC →|＝|OB →＋OC →－2OA →|，则△ABC 的形状是（ ）A ．等腰三角形B ．直角三角形C ．等腰直角三角形D ．等边三角形 【知识点】向量的运算，向量在平面几何中的应用．【解题过程】∵|OB→－OC →|＝|CB →|＝|AB →－AC →|， |OB→＋OC →－2OA →|＝|AB →＋AC →|， ∴|AB→－AC →|＝|AB →＋AC →|， ∴A ，B ，C 是同一矩形的三个顶点，且∠BAC ＝90°．∴△ABC 是直角三角形．【思路点拨】利用向量运算转化条件，并“翻译”为几何结论，判断三角形形状．【答案】B ．4．已知点A (3，1)，B (0，0)，C (3，0)，设∠BAC 的平分线AE 与BC 相交于E ，那么有BC→＝λCE →，其中λ等于（ ） A ．2 B ．12 C ．－3 D ．－13【知识点】平面向量共线．【解题过程】如图所示，由题知∠ABC ＝30°，∠AEC ＝60°，CE ＝33，∴|BC ||CE |＝3，∴BC→＝－3CE →．【思路点拨】先根据题意，画出图形，数形结合．【答案】C ．5．如图所示，两根绳子把重1kg 的物体W 吊在水平杆子AB 上，∠ACW ＝150°，∠BCW ＝120°，求A 和B 处所受力的大小(绳子的重量忽略不计，g ＝10 N /kg)．【知识点】力的合成分解，平面向量在物理中的应用．【解题过程】设A 、B 所受的力分别为f 1、f 2，10N 的重力用f 表示，则f 1＋f 2＝f ，以重力的作用点C 为f 1、f 2、f 的始点，作右图，使CE →＝f 1，CF →＝f 2，CG →＝f ，则∠ECG ＝180°－150°＝30°，∠FCG ＝180°－120°＝60°．∴|CE →|＝|CG →|·cos 30°＝10×32＝53．|CF →|＝|CG →|·cos 60°＝10×12＝5．∴在A 处受力为5 3 N ，在B 处受力为5 N ．【思路点拨】作出受力分析，结合向量的平行四边形法则求解．【答案】在A 处受力为5 3 N ，在B 处受力为5 N ．6．如图所示，已知矩形ABCD ，AC 是对角线，E 是AC 的中点，过点E 作MN 交AD 于点M ，交BC 于点N ，试运用向量知识证明AM ＝CN ．【知识点】平面向量坐标运算．建立如图所示的直角坐标系，设BC ＝a ，BA ＝b ，则C (a ，0)，A (0，b )，E (a 2，b 2)．又设M (x 2，b )，N (x 1，0)，则AM →＝(x 2，0)，CN →＝(x 1－a ，0)． ∵ME →∥EN →，ME →＝(a 2－x 2，－b 2)，EN →＝(x 1－a 2，－b 2)， ∴(a 2－x 2)×(－b 2)－(x 1－a 2)×(－b 2)＝0．∴x 2＝a －x 1．∴|AM →|＝x 22＝|x 2|＝|a －x 1|＝|x 1－a |． 而|CN →|＝(x 1－a )2＝|x 1－a |， ∴|AM→|＝|CN →|，即AM ＝CN ． 【思路点拨】图形非常规整，考虑先建系，利用向量的坐标运算求解，简化运算过程．【答案】略．能力型 师生共研7．如图所示，小船被绳索拉向岸边，船在水中运动时设水的阻力大小不变，那么小船匀速靠岸过程中，下列说法中正确的是________(写出正确的所有序号)．①绳子的拉力不断增大；②绳子的拉力不断变小；③船的浮力不断变小；④船的浮力保持不变．【知识点】平面向量的运算，平面向量在物理中的应用．【数学思想】数形结合．设水的阻力为f ，绳的拉力为F ，F 与水平方向夹角为θ(0<θ<π2)．则|F |cos θ＝|f |，∴|F |＝|f |cos θ．∵θ增大，cos θ减小，∴|F |增大．∵|F |sin θ增大，∴船的浮力减小．【思路点拨】根据受力分析，求出绳的拉力为F 和水的阻力为f 之间的关系式，由此分析浮力的变化情况．【答案】①③．8．如图，已知在等腰△ABC 中，BB ′、CC ′是两腰上的中线，且BB ′⊥CC ′，求顶角A 的余弦值．【知识点】向量的坐标运算，平面向量在平面几何中的应用．【数学思想】数形结合．【解题过程】建立如图所示的平面直角坐标系，取A (0，a )，C (c ，0)，则B (－c ，0)， OA→＝(0，a )，BA →＝(c ，a )，OC →＝(c ，0)，BC →＝(2c ，0)． 因为BB ′、CC ′都是中线，所以BB ′→＝12(BC →＋BA →)＝12[(2c ，0)＋(c ，a )]＝(3c 2，a 2)， 同理CC ′→＝(－3c 2，a 2)． 因为BB ′⊥CC ′，所以－94c 2＋a 24＝0，a 2＝9c 2．所以cos A ＝AB AC AB AC⋅⋅uu u r uuu r uu u r uuu r ＝a 2－c 2a 2＋c 2＝9c 2－c 29c 2＋c 2＝45． 【思路点拨】考虑利用向量的坐标运算，能很方便建立平面直角坐标系，且图形中的各个点的坐标也容易写出，然后再利用向量的坐标运算快捷地解决问题．【答案】45．探究型 多维突破9．已知P 是正方形ABCD 对角线BD 上一点，PFCE 为矩形．求证：PA ＝EF 且PA ⊥EF ．【知识点】向量的坐标运算，平面向量在平面几何中的应用．【数学思想】数形结合．【解题过程】证明：以D 为坐标原点，DC 所在直线为x 轴，DA 所在直线为y 轴，建立平面直角坐标系Oxy (如图所示)，设正方形边长为1，|OP →|＝λ，则A (0，1)，P ，E （1），F ,0），于是PA →＝,1（），EF →＝）．∵|PA →|＝λ2－2λ＋1， 同理|EF→|＝λ2－2λ＋1， ∴|PA→|＝|EF →|，∴PA ＝EF ．PA →·EF →＝（）1-）＋（）（）＝0， ∴PA→⊥EF →．∴PA ⊥EF ． 【思路点拨】根据题意，先作图．分析可知，能很方便建立平面直角坐标系，且图形中的各个点的坐标也容易写出，然后再利用向量的坐标运算证得结论．【答案】略．10．如图，在Rt △ABC 中，已知BC ＝a ．若长为2a 的线段PQ 以点A 为中点，问：PQ →与BC →的夹角θ取何值时，BP →·CQ →的值最大？并求出这个最大值．【知识点】向量的运算，向量在平面几何中的应用．【数学思想】数形结合．【解题过程】方法一：∵AB →⊥AC →，∴AB →·AC→＝0． ∵AP→＝－AQ →，BP →＝AP →－AB →，CQ →＝AQ →－AC →， ∴BP →·CQ →＝(AP →－AB →)·(AQ→－AC →) ＝AP →·AQ →－AP →·AC →－AB →·AQ →＋AB →·AC→ ＝－a 2－AP →·AC →＋AB →·AP →＝－a 2＋AP →·(AB→－AC →) ＝－a 2＋12PQ →·BC →＝－a 2＋a 2cos θ．当cos θ＝1，即θ＝0，PQ →与BC →的方向相同时，BP →·CQ→最大，其最大值为0． 方法二：如下图，以直角顶点A 为坐标原点，两直角边所在的直线为坐标轴，建立如图所示的平面直角坐标系．设|AB |＝c ，|AC |＝b ，则A (0，0)，B (c ，0)，C (0，b )，且|PQ |＝2a ，|BC |＝a ．设点P 的坐标为(x ，y )，则Q (－x ，－y )．∴BP→＝(x －c ，y )，CQ →＝(－x ，－y －b )，BC →＝(－c ，b )，PQ →＝(－2x ，－2y )． ∴BP →·CQ→＝(x －c )(－x )＋y (－y －b )＝－(x 2＋y 2)＋cx －by ．∵cos θ＝||||PQ BC PQ BC ⋅uu u r uu u r uu u r uu u r ＝cx －by a 2，∴cx －by ＝a 2cos θ． ∴BP →·CQ→＝－a 2＋a 2cos θ． 当cos θ＝1，即θ＝0，PQ →与BC →的方向相同时，BP →·CQ →最大，其最大值为0．【思路点拨】利用向量方法可以解决平面几何中的平行、垂直、夹角、距离等问题．利用向量解决平面几何问题时，有两种思路：一种思路是选择一组基底，利用基向量表示涉及的向量，一种思路是建立坐标系，求出题目中涉及到的向量的坐标．这两种思路都是通过向量的计算获得几何命题的证明．【答案】当cos θ＝1，即θ＝0，PQ →与BC →的方向相同时，BP →·CQ→最大，其最大值为0．自助餐1．如图，非零向量OA→＝a ，OB →＝b 且BC ⊥OA ，C 为垂足，若OC →＝λa ，则λ等于（ ）A ．a·b |a|2B ．a·b |a||b|C ．a·b |b |2D ．|a||b|a·b【知识点】向量的运算，向量在平面几何中的应用．【解题过程】BC→＝OC →－OB →＝λa －b ． ∵BC ⊥OA ，∴BC →·OA →＝(λa －b )·a ＝0，即λa 2－a·b ＝0．∴λ＝a·b |a |2． 【思路点拨】由 BC ⊥OA ，得到 BC →·OA →＝(λa －b )·a ＝0，然后转化求解λ．【答案】A ．2．已知平面上三点A 、B 、C 满足|AB →|＝3，|BC →|＝4，|CA →|＝5．则AB →·BC →＋BC →·CA→＋CA →·AB →＝______．【知识点】向量的运算，向量在平面几何中的应用．【解题过程】△ABC 中，B ＝90°，cos A ＝35，cos C ＝45，∴AB →·BC →＝0，BC →·CA →＝4×5×45（-）＝－16； CA →·AB →＝5×3×3()5＝－9． ∴AB →·BC →＋BC →·CA →＋CA →·AB→＝－25． 【思路点拨】根据模长，得出B ＝90°，可得到各向量之间的夹角余弦．【答案】－253．一条河宽为800 m ，一船从A 出发航行垂直到达河正对岸的B 处，船速为20 km /h ．水速为12 km /h ，船到达B 处所需时间为____________．【知识点】向量的运算，向量在物理中的应用．【解题过程】v 实际＝v 船＋v 水＝v 1＋v 2|v 1|＝20，|v 2|＝12，∴|v |2＝|v 1|2－|v 2|2＝202－122＝16(km /h )．∴所需时间t ＝0.816＝0．05(小时)＝3(分钟)．∴该船到达B 处所需的时间为3分钟．【思路点拨】根据向量运算的平行四边形法则求解．【答案】3分钟．4．在风速为75(6－2) km /h 的西风中，飞机正以150 km /h 的速度向西北方向飞行，求没有风时飞机的飞行速度和航向．【知识点】向量的运算，向量在物理中的应用．【数学思想】数形结合．【解题过程】设风速为v 0，有风时飞机的飞行速度为v a ，无风时飞机的飞行速度为v b ， 则v a ＝v b ＋v 0，且v a ，v b ，v 0可构成三角形(如图所示)，∵|AB →|＝|v a |＝150，|BC →|＝|v 0|＝75(6－2)，|AC →|＝|v b|， 作AD ∥BC ，CD ⊥AD 于D ，BE ⊥AD 于E ，则∠BAD ＝45°，∴|CD→|＝|BE →|＝|EA →|＝752， ∴|DA→|＝|DE →|＋|EA →|＝|CB →|＋|EA →|＝75(6－2)＋752＝756， 从而tan ∠CAD ＝CD DAuu u r uu u r ＝752756＝33，∴∠CAD ＝30°， ∴|AC →|＝1502，∴v b＝150 2 km /h ， ∴没有风时飞机的飞行速度为150 2 km /h ，方向为北偏西60°． 【思路点拨】速度是向量，速度的合成可以转化为向量的合成问题，合成时要分清各个速度之间的关系．【答案】没有风时飞机的飞行速度为150 2 km /h ，方向为北偏西60°．5．在△ABC 中，A (4，1)，B (7，5)，C (－4，7)，求∠A 的平分线的方程．【知识点】平面向量的坐标运算，直线的方程．【解题过程】AB→＝(3，4)，AC →＝(－8，6)， ∠A 的平分线的一个方向向量为：AB AC AB AC+uu u r uuu r uu u r uuu r ＝34()55，＋43()55-，＝17()55-，． ∵∠A 的平分线过点A ．∴所求直线方程为－75(x －4)－15(y －1)＝0．整理得：7x ＋y －29＝0．【思路点拨】直线Ax ＋By ＋C ＝0的方向向量为v ＝(B ，－A )，法向量n ＝(A ，B )．这两个概念在求直线方程、判断两条直线位置关系．求两条直线的夹角时非常有用．【答案】7x＋y－29＝0．21 / 21。
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2.5.2 向量在物理中的应用举例
由向量的平行四边形法则,力的平衡及解直角三角形等知识来思考探究这个数学问题.这样物理中力的现象就转化为数学中的向量问题.只要分析清楚F、G、θ三者之间的关系(其中F为F1、F2的合力),就得到了问题的数学解释.
图1
在教学中要尽可能地采用多媒体,在信息技术的帮助下让学生来动态地观察|F|、|G|、θ之间在变化过程中所产生的相互影响.由学生独立完成本例后,与学生共同探究归纳出向量在物理中的应用的解题步骤,也可以由学生自己完成,还可以用信息技术来验证.
用向量解决物理问题的一般步骤是:①问题的转化,即把物理问题转化为数学问题;②模型的建立,即建立以向量为主体的数学模型;③参数的获得,即求出数学模型的有关解——理论参数值;④问题的答案,即回到问题的初始状态,解释相关的物理现象.
解:不妨设|F1|=|F2|,由向量的平行四边形法则、力的平衡以及直角三角形的知识,可以知道
2
cos
2
|
|
|
|
|
|
2
1
2
cos
1
θ
θG
F
G
⇒
=
通过上面的式子,我们发现:当θ由0°到180°逐渐变大时,
2
θ
由0°到90°
逐渐变大,cos
2
θ
的值由大逐渐变小,因此|F1|由小逐渐变大,即F1,F2之间的夹角越大越费力,夹角越小越省力.
点评:本例是日常生活中经常遇到的问题,学生也会有两人共提一个旅行包以及在单杠上做引体向上运动的经验.本例的关键是作出简单的受力分析图,启发学生将物理现象转化成模型,从数学角度进行解释,这就是本例
活动中所完成的事情.教学中要充分利用好这个模型,为解决其他物理问题打下基础.得到模型后就可以发现,这是一个很简单的向量问题,这也是向量工具优越性的具体体现.
变式训练
某人骑摩托车以20 km/h的速度向西行驶,感到风从正南方向吹来,而当其速度变为40 km/h时,他又感到风从西南方向吹来,求实际的风向和风速.
图2
解:如图2所示.设v1表示20 km/h的速度,在无风时,此人感到的风速为-v1,实际的风速为v,那么此人所感到的风速为v+(-v1)=v-v1.
令AB=-v1,AC=-2v1,实际风速为v.
∵DA+AB=DB,
∴DB=v-v1,这就是骑车人感受到的从正南方向吹来的风的速度.
∵DA+AC=DC,
∴DC=v-2v1,
这就是当车的速度为40 km/h时,骑车人感受到的风速.
由题意得∠DCA=45°,DB⊥AB,AB=BC,
∴△DCA为等腰三角形,DA=DC,∠DAC=∠DCA=45°.
∴DA=DC=2BC=202.
∴|v|=202km/h.
答:实际的风速v的大小是202 km/h,方向是东南方向.
例2 如图3所示,利用这个装置(冲击摆)可测定子弹的速度,设有一砂箱悬挂在两线下端,子弹击中砂箱后,陷入箱内,使砂箱摆至某一高度h.设子弹和砂箱的质量分别为m和M,求子弹的速度v的大小.
图3
解:设v 0为子弹和砂箱相对静止后开始一起运动的速度,由于水平方向上动量
守
恒
,
所
以
m|v |=(M+m)|v 0|.
① 由于
机
械
能
守
恒
,所
以
2
1(M+m)v 02=(M+m)gh.
②
联立①②解得|v |=
.2gh m
m
M 又因为m 相对于M 很小,所以|v |≈gh m
M 2,
即子弹的速度大小约为gh m
M 2.
知能训练
1.一艘船以4 km/h 的速度沿着与水流方向成120°的方向航行,已知河水流速为2 km/h,则经过3小时,该船实际航程为( )
A.215 km
B.6 km
C.84 km
D.8 km
图4
2.如图4,已知两个力的大小和方向,则合力的大小为 N;若在图示坐标系中,用坐标表示合力F ,则F =___________.
3.一艘船以5 km/h 的速度向垂直于对岸的方向行驶,而该船实际航行的方向与水流方向成30°角,求水流速度与船的实际速度. 解答: 1.B
点评:由于学生还没有学习正弦定理和余弦定理,所以要通过作高来求. 2.41 (5,4)
图5
3.如图5所示,设OA 表示水流速度,OB 表示船垂直于对岸的速度,OC 表示船的实际速度,∠AOC=30°,|OB |=5 km/h.
因为OACB 为矩形,所以|OA |=|AC |·cot30°=|OB |·cot30°=53≈8.66 km/h, |OC |=
30cos ||OA =2
3
3
5=10 km/h.
答:水流速度为8.66 km/h,船的实际速度为10 km/h. 点评:转化为数学模型,画出向量图,在直角三角形中解出. 课堂小结
1.与学生共同归纳总结利用向量解决物理问题的步骤. ①问题的转化,即把物理问题转化为数学问题; ②模型的建立,即建立以向量为主体的数学模型; ③参数的获得,即求出数学模型的有关解——理论参数值; ④问题的答案,即回到问题的初始状态,解释相关的物理现象.
2.与学生共同归纳总结向量在物理中应用的基本题型. ①力、速度、加速度、位移都是向量;
②力、速度、加速度、位移的合成与分解对应相应向量的加减; ③)动量mv 是数乘向量,冲量Δt F 也是数乘向量; ④功是力F 与位移s 的数量积,即W=F ·s. 作业
1.课本习题
2.5 A 组3、4,B 组1、2. 2.归纳总结物理学中哪些地方可用向量.。