6.2.1 向量的加法运算 学案

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6.2.1 向量的加法运算 学案

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6.2.1 向量的加法运算
课标要求 情境导入
1.借助实例和平面向量的几何表示,理解向量加法的概念(数学抽象、直观想象). 2.理解向量加法的几何意义,掌握平面向量的加法运算及运算律(直观想象、数学运算).   唐僧当年取经的路线是从东土大唐出发,先绕到新疆,再往天竺,若孙悟空单独前往,可以直接飞往西天,两种走法的位移相同吗?如果把位移看成向量,可引入向量的运算,下面我们探究平面向量的运算.
  
知识点一|向量加法的定义及三角形法则
问题1 如图所示,
小王上午从家(点A)到达了公司(点B),下午从公司(点B)到达了舅舅家(点C).
(1)分别用向量表示出小王上午的位移、下午的位移以及这一天的位移;
提示:;;.
(2)这一天的位移与上、下午的位移有什么关系?
提示:位移可以看成是位移与合成的,即可以看作是与的和.
【知识梳理】
1.向量加法的定义
(1)定义:求两个向量 和 的运算,叫做向量的加法;
(2)对于零向量与任意向量a,规定a+0=0+a=a.
2.三角形法则
已知非零向量a,b,在平面内取任意一点A,作=a,=b,则向量叫做a与b的和,记作a+b,即a+b=+=.这种求向量和的方法,称为向量加法的 三角形 法则.
  提醒:(1)两向量的和仍是向量;(2)运用向量加法的三角形法则作图时要“首尾相接,再首尾相连”.
【例1】 如图所示,
(1)a+b= c ;
解析:(1)a+b=+=c.
(2)c+d= f ;
解析:(2)c+d=+=f.
(3)a+b+d= f .
解析:(3)a+b+d=++==f.
【规律方法】
1.求向量和的三角形法则
在平面内任取一点,以该点为起点,将两向量平移到首尾相接,从该起点到另外一个终点的向量就是这两个向量的和.一定要注意首尾相接.
2.推广
多个向量加法的三角形法则的特征为首尾顺次相接,其和为由第一个向量的起点指向最后一个向量的终点的向量,即++…+=.
  提醒:若++…+=0,则该图形为封闭图形.
训练1 点O是平行四边形ABCD的两条对角线的交点,则++=(  )
A. B.
C. D.0
答案:A
知识点二|向量加法的平行四边形法则
问题2 如图,平行四边形ABCD.
(1)向量与是什么关系?
提示:=.
(2)向量+与相等吗?
提示:相等.
【知识梳理】
以同一点O为起点的两个已知向量a,b,以OA,OB为邻边作 OACB,则以O为起点的向量(OC是 OACB的对角线)就是向量a与b的和.
  提醒:应用平行四边形法则的前提是两向量“共起点”,且两个向量不共线.
【例2】 (链接教材P8例1)如图所示,已知向量a,b,c,试作出向量a+b+c.
解:法一(三角形法则) 如图1所示,在平面内任取一点O,作向量=a,=b,则向量=a+b;再作向量=c,则向量=(a+b)+c=a+b+c即为所求.
法二(平行四边形法则) 如图2所示,在平面内任取一点O,作向量=a,=b,=c,以OA,OB为邻边作 OADB,连接OD,则=+=a+b;再以OD,OC为邻边作 ODEC,连接OE,则=+=a+b+c即为所求.
【规律方法】
1.求向量和的平行四边形法则
在平面内任取一点,从此点出发分别作两个向量等于已知向量,以这两个向量所在线段为邻边作平行四边形,以所取的点为起点的对角线所对应的向量就是这两个向量的和.
2.三角形法则与平行四边形法则的适用条件
法则 三角形法则 平行四边形法则
适用 条件 两向量共线或不共线均可,特别是一个向量的终点为另一个向量起点的求和 只适用于两向量不共线的情况,特别是两向量起点相同的求和
训练2 (1)如图所示的方格纸中有定点O,P,Q,E,F,G,H,则+=( C )
A.   B. C.   D.
解析:(1)以OP,OQ为邻边作平行四边形,如图所示,则+=,由和的模相等,方向相同,得=,即+=.
(2)已知在菱形ABCD中,∠BAD=60°,||=1,则|+|= 1 .
解析:(2)因为在菱形ABCD中,∠BAD=60°,所以△ABD为等边三角形,所以|+|=||=||=1.
知识点三|向量加法的运算律
问题3 (1)结合向量加法的三角形法则和平行四边形法则,试探索|a+b|与|a|,|b|之间的关系;
提示:①当向量a与b不共线时,a+b的方向与a,b方向不同,且|a+b|<|a|+|b|.
②当a与b同向时,a+b,a,b同向,且|a+b|=|a|+|b|.
(2)我们知道实数的加法满足交换律与结合律,向量的加法是否也满足交换律和结合律呢?你能证明自己的猜想吗?
提示:满足.如图1,作=a,=b,以AB,AD为邻边作 ABCD,容易发现=b,=a,故=+=a+b.又=+=b+a,所以a+b=b+a.
如图2,易得(a+b)+c=+=,且a+(b+c)=+=,所以(a+b)+c=a+(b+c).
【知识梳理】
1.向量加法的运算律
(1)加法交换律:a+b= b+a ;
(2)加法结合律:(a+b)+c= a+(b+c) .
2.|a+b|与|a|,|b|之间的关系
一般地,我们有|a+b|≤ |a|+|b| ,当且仅当a,b方向相同时等号成立.
  提醒:当a,b至少有一个是零向量时等号也成立.
【例3】 化简:(1)+;
解:(1)+=+=.
(2)++;
解:(2)++=++=(+)+=+=0.
(3)(+)+(+)+.
解:(3)(+)+(+)+=(+)++(+)=(+)+=+=.
【规律方法】
向量加法运算律的应用策略
(1)多个向量的加法运算可按照任意的次序与任意的组合进行,如(a+b)+(c+d)=(b+d)+(a+c);a+b+c+d+e=[d+(a+c)]+(b+e);
(2)应用原则:通过向量加法的交换律,使各向量“首尾相接”,通过向量加法的结合律调整向量相加的顺序.
训练3 (1)化简:+(+)+=( B )
A. B.
C. D.
解析:(1)+(+)+=+++=.故选B.
(2)设|a|=8,|b|=12,则|a+b|的最大值为 20 .
解析:(2)由|a+b|≤|a|+|b|,得|a+b|≤8+12=20.所以最大值为20.
提能点|向量加法的实际应用
【例4】 (链接教材P9例2)在静水中船的速度为20 m/min,水流的速度为10 m/min,如果船从岸边出发沿垂直于水流的航线到达对岸,求船行进的方向.
解:作出图形,如图.船速v船与岸的方向成α角,由图可知v水+v船=v实际,结合已知条件,四边形ABCD为平行四边形.
在Rt△ACD中,||=||=|v水|=10 m/min,||=|v船|=20 m/min,
∴cos α===,∴α=60°.
故船行进的方向是与水流的方向成120°角的方向.
变式 若本例条件不变,求经过3小时,该船的实际航程是多少千米?
解:由题意可知||=||=×20=10m/min=km/h,
则经过3小时,该船的实际航程是3×=千米.
【规律方法】
应用向量解决实际问题的基本步骤
(1)表示:用向量表示有关量,将所要解答的问题转化为向量问题;
(2)运算:应用向量加法的平行四边形法则或三角形法则,将有关向量进行运算,解答向量问题;
(3)还原:根据向量的运算结果,结合向量共线、相等等概念回答原问题.
训练4 一架救援直升飞机从A地沿北偏东60°方向飞行了40 km到达B地,再由B地沿正北方向飞行40 km到达C地,求此时直升飞机与A地的相对位置.
解:如图所示,设,分别是直升飞机的位移,
则表示两次位移的合位移,即=+.
在Rt△ABD中,||=20 km,||=20 km,则||=||+||=20+40=60 km,
在Rt△ACD中,||==40 km,∠CAD=60°,即此时直升飞机位于A地北偏东30°方向,且距离A地40 km处.
向量加法三角形法则的推广
在加拿大蒙特利尔举行的机器人世界杯比赛决赛中,中国浙江大学队以4∶0的比分战胜了美国卡耐基梅隆大学队,获得了冠军.机器人在赛场上能“多人协作”进行断球、传球,能够做出假动作迷惑对手,还可以通过人工智能技术对球场局势进行相应的判断.
在比赛过程中,中国浙江大学队的机器人甲采用迂回战术带球射门,行走的路线如图1,从点A开始绕灰色区域走一圈,最终骗过对方队员,成功踢进一球,这名射手激动地跳起了如图2所示的正多边形舞,跳舞的方式是从点P开始,沿正东方向行进1米,逆时针方向转变α度,继续按直线向前行进1米,再逆时针方向转变α度,按直线向前行进1米,……,最终回到起点.
成功踢入一球后,甲、乙、丙、丁四名射手按图3的路线组织传球,又进了一球.最终中国浙江大学队踢进4球,以4∶0的成绩获得了机器人足球世界杯冠军!
【问题探究】
1.当α=45°时,请画出射手的跳舞轨迹,并说明跳多少步时位移为0,请作图说明(假设机器人跳1步为1米).
提示:射手的跳舞轨迹为如图所示的正八边形,其中边长为1 m,跳8步时,射手回到起点,所以当射手跳8n(n∈N*)步时,射手的位移为零.
2.要使射手能回到出发点,跳舞时设定的α应满足什么条件?
提示:要使射手能回到出发点,只需射手的位移为零.按上述方式作图,则所作图形是内角为180°-α的正多边形,由多边形的内角和定理可得n(180°-α)=(n-2)·180°,解得α=,且n≥3,n∈N*.故α应满足的条件为α=,且n≥3,n∈N*.
【迁移应用】
 甲、乙、丙、丁四名射手按下列路线组织传球:甲机器人按北偏东30°的方向将球传2 m给机器人乙,然后机器人乙按南偏东30°的方向将球传2 m给机器人丙,机器人丙再按西南方向传 m给机器人丁,利用向量加法求出球的位移向量,并确定此向量模的大小.
解:根据题意画出示意图如图,用A,B,C,D分别表示甲、乙、丙、丁四名射手的位置,则球的位移为++=,故球的最终位移为,
依题意知△ABC为正三角形,故||=||=AC=2 m.
又因为∠ACD=45°,CD= m,所以∠ADC=90°,所以△ACD为等腰直角三角形,所以||= m.
1.化简++=(  )
A.0 B.0
C. D.
解析:A ++=++=0,故选A.
2.〔多选〕下列等式正确的是(  )
A.a+(b+c)=(a+c)+b
B.+=0
C.=++
D.|a+b|=|a|+|b|
解析:AC 易知A、C正确.B错误,因为+=0;D错误,因为只有在a与b至少有一个为零向量或a,b为方向相同的非零向量时等式成立,而其他情况下等式不成立.
3.如图所示,在正六边形ABCDEF中,++=(  )
A.0 B.
C. D.
解析:D 由于=,故++=++=.故选D.
4.若在△ABC中,AB=AC=1,|+|=,判断△ABC的形状.
解:以AB,AC为邻边作 ABDC,如图所示.
则|+|=||=.
又AB=AC=1,且BD=AC,∴AB=BD=1,
从而△ABD为等腰直角三角形.因此 ABDC为正方形,
故△ABC为等腰直角三角形.
课堂小结
1.理清单 (1)向量加法的三角形法则及平行四边形法则; (2)向量三角不等式; (3)向量加法的运算律; (4)向量加法的实际应用. 2.应体会 三角形法则和平行四边形法则都可用于求向量的和,体现了数形结合的思想方法. 3.避易错 当a,b,c没有确定都同向时,|a+b+c|≠|a|+|b|+|c|.
1.在四边形ABCD中,++=(  )
A. B.
C. D.
解析:D ++=++=,故选D.
2.如图,四边形ABCD是平行四边形,则向量+=(  )
A. B.
C. D.
解析:D 因为在平行四边形ABCD中,=,所以+=+=.故选D.
3.四边形ABCD是梯形,AD∥BC,对角线AC与BD相交于点O,则+++=(  )
A. B.
C. D.
解析:B +++=(+)+(+)=+=.
4.若向量a表示“向东航行1 km”,向量b表示“向北航行 km”,则向量a+b表示(  )
A.向东北方向航行2 km B.向北偏东30°方向航行2 km
C.向北偏东60°方向航行2 km D.向东北方向航行(1+)km
解析:B 如图,|a|=1 km,|b|= km,易知tan α=,所以α=30°.故a+b的方向是北偏东30°.可知|a+b|=2 km.故选B.
5.〔多选〕设a=(+)+(+),b是一个非零向量,则下列结论正确的有(  )
A.a∥b B.a+b=a
C.a+b=b D.|a+b|<|a|+|b|
解析:AC 由题意,向量a=(+)+(+)=+=0,且b是一个非零向量,所以a∥b成立,所以A正确;由a+b=b,所以B不正确,C正确;由|a+b|=|b|,|a|+|b|=|b|,所以|a+b|=|a|+|b|,所以D不正确.故选A、C.
6.〔多选〕如图,在平行四边形ABCD中,下列计算正确的是(  )
A.+= B.++=
C.++= D.++=0
解析:ACD 由向量加法的平行四边形法则可得+=,故A正确;由向量加法的三角形法则可得++=+=+=,故B错误;由向量加法的平行四边形法则可得++=+=,故C正确;++=+=0,故D正确.故选A、C、D.
7.已知=a,=b,=c,=d,=e,则a+b+c+d= e .
解析:a+b+c+d=+++==e.
8.在边长为1的等边三角形ABC中,|+|= 1 ,|+|=  .
解析:易知|+|=||=1,以AB,AC为邻边作平行四边形ABDC(图略),则|+|=||=2||×sin 60°=2×1×=.
9.如图,在△ABC中,D,E分别是AB,AC上的点,F为线段DE延长线上一点,DE∥BC,AB∥CF,连接CD,求(在横线上只填一个向量):
(1)+=  ;
(2)++=  .
解析:由已知可得四边形DFCB为平行四边形.
(1)易知=,所以+=+=.
(2)++=++=.
10.如图,E,F,G,H分别是梯形ABCD的边AB,BC,CD,DA的中点,化简下列各式:
(1)++;
(2)+++.
解:(1)++=++=++=+=.
(2)+++=+++=++=+=0.
11.若点O是△ABC的外心,且+=,则△ABC的内角C等于(  )
A.120° B.90°
C.60° D.45°
解析:A 因为点O是△ABC的外心,则||=||=||,由+=结合向量加法的几何意义知,四边形OACB为菱形,且∠ACO=∠BCO=60°,所以△ABC的内角C等于120°.故选A.
12.已知等腰Rt△ABC的直角边长为1,E为斜边BC上一动点,则|+|的最小值为(  )
A. B.
C.1 D.
解析:A 易得|+|=||,显然当E为斜边BC的中点时,AE最短,此时AE⊥BC,AE==,即|+|的最小值为.故选A.
13.已知点G是△ABC的重心,则++= 0 .
解析:如图所示,连接AG并延长交BC于点E,则点E为BC的中点,延长AE到点D,使GE=ED,则+=,+=0,所以++=0.
14.如图,按下列要求作答.
(1)以A为始点,作出a+b;
(2)以B为始点,作出c+d+e;
(3)若图中小正方形边长为1,求|a+b|,|c+d+e|.
解:(1)将a,b的起点同时平移到点A,利用平行四边形法则作出a+b,如图.
(2)先将共线向量c,d的起点同时平移到点B,计算出c+d,再平移向量e与之首尾相接,利用三角形法则即可作出c+d+e,如图.
(3)由图中小正方形的边长为1,根据作出的向量利用勾股定理可知,|a+b|==,|c+d+e|==.
15.设P1P2P3…Pn是圆内接正n边形,O为圆心,试用向量证明++…+=0.
证明:设++…+==a,
将正n边形绕圆心O旋转弧度,
假设此时旋转到的位置,旋转到的位置,…,旋转到的位置,
但正多边形的位置不变,仅各顶点的字母变了,
所以它们的和向量不变,a旋转弧度后没有改变,因此a只能是零向量,所以=0.
1 / 16.2.1 向量的加法运算
1.借助实例和平面向量的几何表示,理解向量加法的概念(数学抽象、直观想象). 2.理解向量加法的几何意义,掌握平面向量的加法运算及运算律(直观想象、数学运算).
  
知识点一|向量加法的定义及三角形法则
问题1 如图所示,小王上午从家(点A)到达了公司(点B),下午从公司(点B)到达了舅舅家(点C). 
(1)分别用向量表示出小王上午的位移、下午的位移以及这一天的位移;
(2)这一天的位移与上、下午的位移有什么关系?
【知识梳理】
1.向量加法的定义
(1)定义:求两个向量    的运算,叫做向量的加法;
(2)对于零向量与任意向量a,规定a+0=0+a=a.
2.三角形法则
已知非零向量a,b,在平面内取任意一点A,作=a,=b,则向量叫做a与b的和,记作a+b,即a+b=+=.这种求向量和的方法,称为向量加法的    法则.
  提醒:(1)两向量的和仍是向量;(2)运用向量加法的三角形法则作图时要“首尾相接,再首尾相连”.
【例1】 如图所示,
(1)a+b=    ;
(2)c+d=    ;
(3)a+b+d=    .
【规律方法】
1.求向量和的三角形法则
在平面内任取一点,以该点为起点,将两向量平移到首尾相接,从该起点到另外一个终点的向量就是这两个向量的和.一定要注意首尾相接.
2.推广
多个向量加法的三角形法则的特征为首尾顺次相接,其和为由第一个向量的起点指向最后一个向量的终点的向量,即++…+=.
  提醒:若++…+=0,则该图形为封闭图形.
训练1 点O是平行四边形ABCD的两条对角线的交点,则++=(  )
A. B.
C. D.0
知识点二|向量加法的平行四边形法则
问题2 如图,平行四边形ABCD.
(1)向量与是什么关系?
(2)向量+与相等吗?
【知识梳理】
以同一点O为起点的两个已知向量a,b,以OA,OB为邻边作 OACB,则以O为起点的向量(OC是 OACB的对角线)就是向量a与b的和.
  提醒:应用平行四边形法则的前提是两向量“共起点”,且两个向量不共线.
【例2】 (链接教材P8例1)如图所示,已知向量a,b,c,试作出向量a+b+c.
【规律方法】
1.求向量和的平行四边形法则
在平面内任取一点,从此点出发分别作两个向量等于已知向量,以这两个向量所在线段为邻边作平行四边形,以所取的点为起点的对角线所对应的向量就是这两个向量的和.
2.三角形法则与平行四边形法则的适用条件
法则 三角形法则 平行四边形法则
适用 条件 两向量共线或不共线均可,特别是一个向量的终点为另一个向量起点的求和 只适用于两向量不共线的情况,特别是两向量起点相同的求和
训练2 (1)如图所示的方格纸中有定点O,P,Q,E,F,G,H,则+=(  )
A.       B.
C. D.
(2)已知在菱形ABCD中,∠BAD=60°,||=1,则|+|=    .
知识点三|向量加法的运算律
问题3 (1)结合向量加法的三角形法则和平行四边形法则,试探索|a+b|与|a|,|b|之间的关系;
(2)我们知道实数的加法满足交换律与结合律,向量的加法是否也满足交换律和结合律呢?你能证明自己的猜想吗?
【知识梳理】
1.向量加法的运算律
(1)加法交换律:a+b=    ;
(2)加法结合律:(a+b)+c=    .
2.|a+b|与|a|,|b|之间的关系
一般地,我们有|a+b|≤    ,当且仅当a,b方向相同时等号成立.
  提醒:当a,b至少有一个是零向量时等号也成立.
【例3】 化简:(1)+;
(2)++;
(3)(+)+(+)+.
【规律方法】
向量加法运算律的应用策略
(1)多个向量的加法运算可按照任意的次序与任意的组合进行,如(a+b)+(c+d)=(b+d)+(a+c);a+b+c+d+e=[d+(a+c)]+(b+e);
(2)应用原则:通过向量加法的交换律,使各向量“首尾相接”,通过向量加法的结合律调整向量相加的顺序.
训练3 (1)化简:+(+)+=(  )
A.    B.
C.    D.
(2)设|a|=8,|b|=12,则|a+b|的最大值为    .
提能点|向量加法的实际应用
【例4】 (链接教材P9例2)在静水中船的速度为20 m/min,水流的速度为10 m/min,如果船从岸边出发沿垂直于水流的航线到达对岸,求船行进的方向.
变式 若本例条件不变,求经过3小时,该船的实际航程是多少千米?
【规律方法】
应用向量解决实际问题的基本步骤
(1)表示:用向量表示有关量,将所要解答的问题转化为向量问题;
(2)运算:应用向量加法的平行四边形法则或三角形法则,将有关向量进行运算,解答向量问题;
(3)还原:根据向量的运算结果,结合向量共线、相等等概念回答原问题.
训练4 一架救援直升飞机从A地沿北偏东60°方向飞行了40 km到达B地,再由B地沿正北方向飞行40 km到达C地,求此时直升飞机与A地的相对位置.
向量加法三角形法则的推广
在加拿大蒙特利尔举行的机器人世界杯比赛决赛中,中国浙江大学队以4∶0的比分战胜了美国卡耐基梅隆大学队,获得了冠军.机器人在赛场上能“多人协作”进行断球、传球,能够做出假动作迷惑对手,还可以通过人工智能技术对球场局势进行相应的判断.
在比赛过程中,中国浙江大学队的机器人甲采用迂回战术带球射门,行走的路线如图1,从点A开始绕灰色区域走一圈,最终骗过对方队员,成功踢进一球,这名射手激动地跳起了如图2所示的正多边形舞,跳舞的方式是从点P开始,沿正东方向行进1米,逆时针方向转变α度,继续按直线向前行进1米,再逆时针方向转变α度,按直线向前行进1米,……,最终回到起点.
成功踢入一球后,甲、乙、丙、丁四名射手按图3的路线组织传球,又进了一球.最终中国浙江大学队踢进4球,以4∶0的成绩获得了机器人足球世界杯冠军!
【问题探究】
1.当α=45°时,请画出射手的跳舞轨迹,并说明跳多少步时位移为0,请作图说明(假设机器人跳1步为1米).
2.要使射手能回到出发点,跳舞时设定的α应满足什么条件?
【迁移应用】
 甲、乙、丙、丁四名射手按下列路线组织传球:甲机器人按北偏东30°的方向将球传2 m给机器人乙,然后机器人乙按南偏东30°的方向将球传2 m给机器人丙,机器人丙再按西南方向传 m给机器人丁,利用向量加法求出球的位移向量,并确定此向量模的大小.
1.化简++=(  )
A.0 B.0
C. D.
2.〔多选〕下列等式正确的是(  )
A.a+(b+c)=(a+c)+b
B.+=0
C.=++
D.|a+b|=|a|+|b|
3.如图所示,在正六边形ABCDEF中,++=(  )
A.0 B.
C. D.
4.若在△ABC中,AB=AC=1,|+|=,判断△ABC的形状.
1.理清单 (1)向量加法的三角形法则及平行四边形法则; (2)向量三角不等式;d (3)向量加法的运算律; (4)向量加法的实际应用. 2.应体会 三角形法则和平行四边形法则都可用于求向量的和,体现了数形结合的思想方法. 3.避易错 当a,b,c没有确定都同向时,|a+b+c|≠|a|+|b|+|c|.
提示:完成课后作业 第六章 6.2 6.2.1
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