Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.
Проекция вектора на ось в физике – формулы и определения с примерами
Содержание:
Проекция вектора на ось:
Вы уже знаете, что вектор имеет модуль и направление. При решении задач часто используется понятие проекция вектора на ось. Что такое проекция вектора? Как ее определяют?
Начнем с понятия проекция точки на ось.
Проекция точки — это основание перпендикуляра, опущенного из данной точки на ось.
На рисунке 24 точка 
Как определяют проекцию вектора на ось
Проекция вектора на ось — это длина отрезка между проекциями начала и конца вектора, взятая со знаком «+» или «-». Знак «+» берут, если угол между вектором и осью острый, а знак «-» — если угол тупой.
На рисунке 25 проекция вектора 
на ось Ох обозначена через 
а проекция вектора 
— через 
Проекция 
— число положительное, т. к. угол 
на рисунке 25, а — острый. Проекция 
— число отрицательное 
т. к. угол 
на рисунке 25, б — тупой.
А если вектор перпендикулярен оси? Тогда его проекция на эту ось равна нулю (рис. 26).
Проекцию вектора можно выразить через его модуль и угол между вектором и осью.
Рассмотрим треугольник 
на рисунке 25, а. Его гипотенуза 
катет 
а угол между ними равен 
Следовательно,
Проекция вектора на ось равна модулю вектора, умноженному на косинус угла между вектором и осью.
Это правило справедливо при любых углах между вектором и осью. Подтвердите это с помощью рисунков 25 и 26.
Обратим внимание на еще одно важное свойство проекций: проекция суммы векторов на ось равна сумме их проекций на эту ось.
С помощью рисунка 27, а, б убедитесь, что из векторного равенства 
следует равенство для проекций: 
Не забывайте о знаках проекций.
Можно ли найти модуль и направление вектора по его проекциям на координатные оси
Рассмотрим вектор 
лежащий в плоскости 
(рис. 28). Его проекции на оси 
определим из рисунка: 
Модуль вектора 
находим по теореме Пифагора из треугольника ACD: 
Разделив 
на 
получим: 
По значению косинуса находим угол 
Таким образом, вектор, лежащий в заданной плоскости, полностью определяется двумя проекциями на оси координат.
Вектор в пространстве определяется тремя проекциями: 
(рис. 29).
Главные выводы:
- Проекция вектора на ось — это длина отрезка, заключенного между проекциями начала и конца вектора на эту ось, взятая со знаком «+» или «-».
- Если угол между вектором и осью острый, то его проекция на эту ось положительна, если угол тупой — отрицательна, если прямой — равна нулю.
- Проекция вектора на ось равна произведению его модуля на косинус угла между вектором и осью.
- Проекция суммы векторов на ось равна сумме их проекций на эту ось.
Пример №1
1. Определите сумму и разность взаимно перпендикулярных векторов 
(рис. 30). Найдите модули векторов суммы 
и разности 
Решение
Сумму векторов 
находим по правилу треугольника (рис. 31, а) или параллелограмма (рис. 31, б). Так как векторы 
взаимно перпендикулярны, модуль вектора 
находим по теореме Пифагора: 
Разность векторов 
определим по правилам вычитания векторов (рис. 32, а, б).
Модуль вектора 
находим аналогично:
Ответ: 
- Заказать решение задач по физике
Пример №2
Выразите вектор 
через векторы 
(рис. 33). Как связаны между собой проекции этих векторов на оси Ох и Оу?
Решение
По правилу треугольника находим: 
Отсюда 
Определив координаты 
начальных и конечных точек векторов 
находим проекции этих векторов: 
Вычислением убедимся, что проекции векторов связаны теми же равенствами, что и сами векторы: 
Ответ: 
- Путь и перемещение
- Равномерное прямолинейное движение
- Прямолинейное неравномерное движение
- Прямолинейное равноускоренное движение
- Колебательное движение
- Физический и математический маятники
- Пружинные и математические маятники
- Скалярные и векторные величины и действия над ними
Анна Кирпиченкова
Эксперт по предмету «Геометрия»
Задать вопрос автору статьи
Для понятия проекции вектора на ось или какой-либо другой вектор существуют понятия ее геометрической проекции и числовой (или алгебраической) проекции. Результатом геометрической проекции будет вектор, а результатом алгебраической – неотрицательное действительное число. Но перед тем, как перейти к этим понятиям вспомним необходимую информацию.
Предварительные сведения
Основное понятие – непосредственно понятие вектора. Для того, чтобы ввести определение геометрического вектора вспомним, что такое отрезок. Введем следующее определение.
Определение 1
Отрезком будем называть часть прямой, которая имеет две границы в виде точек.
Отрезок может иметь 2 направления. Для обозначения направления будем называть одну из границ отрезка его началом, а другую границу – его концом. Направление указывается от его начала к концу отрезка.
Определение 2
Вектором или направленным отрезком будем называть такой отрезок, для которого известно, какая из границ отрезка считается началом, а какая его концом.
Обозначение: Двумя буквами: $overline{AB}$ – (где $A$ его начало, а $B$ – его конец).
Одной маленькой буквой: $overline{a}$ (рис. 1).
Введем еще несколько понятий, связанных с понятием вектора.
Определение 3
Два ненулевых вектора будем называть коллинеарными, если они лежат на одной и той же прямой или на прямых, параллельных друг другу (рис.2).
«Проекция вектора на ось. Как найти проекцию вектора» 👇
Определение 4
Два ненулевых вектора будем называть сонаправленными, если они удовлетворяют двум условиям:
- Эти векторы коллинеарны.
- Если они будут направлены в одну сторону (рис. 3).
Обозначение: $overline{a}↑↑overline{b}$
Определение 5
Два ненулевых вектора будем называть противоположно направленными, если они удовлетворяют двум условиям:
- Эти векторы коллинеарны.
- Если они направлены в разные стороны (рис. 4).
Обозначение: $overline{a}↑↓overline{d}$
Определение 6
Длиной вектора $overline{a}$ будем называть длину отрезка $a$.
Обозначение: $|overline{a}|$
Перейдем к определению равенства двух векторов
Определение 7
Два вектора будем называть равными, если они удовлетворяют двух условиям:
- Они сонаправлены;
- Их длины равны (рис. 5).
Геометрическая проекция
Как мы уже сказали ранее, результатом геометрической проекции будет вектор.
Определение 8
Геометрической проекцией вектора $overline{AB}$ на ось будем называть такой вектор, который получается следующим образом: Точка начала вектора $A$ проецируется на данную ось. Получаем точку $A’$ – начало искомого вектора. Точка конца вектора $B$ проецируется на данную ось. Получаем точку $B’$ – конец искомого вектора. Вектор $overline{A’B’}$ и будет искомым вектором.
Рассмотрим задачу:
Пример 1
Постройте геометрическую проекцию $overline{AB}$ на ось $l$, изображенные на рисунке 6.
Решение.
Проведем из точки $A$ перпендикуляр к оси $l$, получим на ней точку $A’$. Далее проведем из точки $B$ перпендикуляр к оси $l$, получим на ней точку $B’$ (рис. 7).
Полученный на оси $l$ вектор $overline{A’B’}$ и будет искомой геометрической проекцией.
Замечание 1
Заметим, что если угол между вектором и осью острый, то проекция сонаправлена с осью, а если тупой, то проекция противоположно направлена с осью.
Числовая проекция
Как мы уже знаем, результатом алгебраической проекции будет неотрицательное действительное число.
Определение 9
Числовой (алгебраической) проекцией на ось будем называть неотрицательное число, равное длине вектора геометрической проекции.
Рассмотрим это понятие на примере задачи:
Пример 2
Найти числовую проекцию вектора $overline{F} на сонаправленную ему ось $x$, если угол между ними равняется $α$ (рис. 8). (рис. 8).
Решение.
Введем на рисунке следующие обозначения:
Видим, что длина вектора геометрической проекции, равняется длине $XY$. Из определения косинуса получим, что
$XY=|overline{F}|cosα$
где $|overline{F}|$ – длина вектора $overline{F}$. Это и будет искомая алгебраическая проекция на ось.
Другие случаи можете видеть на рисунке 9.
Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу
Поиск по теме
Ось – это направление. Значит, проекция на ось или на направленную прямую считается одним и тем же. Проекция бывает алгебраическая и геометрическая. В геометрическом понимают проекцию вектора на ось как вектор, а алгебраическом – число. То есть применяются понятия проекция вектора на ось и числовая проекция вектора на ось.
Если имеем ось L и ненулевой вектор AB→, то можем построить вектор A1B1⇀, обозначив проекции его точек A1 и B1.
A1B→1 будет являться проекцией вектора AB→ на L.
Проекцией вектора на ось называют вектор, начало и конец которого являются проекции начала и конца заданного вектора. npLAB→→ принято обозначать проекцию AB→ на L. Для построения проекции на L опускают перпендикуляры на L.
Пример проекции вектора на ось.
На координатной плоскости Оху задается точка M1 (x1, y1). Необходимо построить проекции на Ох и Оу для изображения радиус-вектора точки M1. Получим координаты векторов (x1, 0) и (0, y1).
Если идет речь о проекции a→ на ненулевой b→ или проекции a→ на направление b→, то имеется в виду проекция a→на ось, с которой совпадает направление b→. Проекция a→ на прямую, определяемая b→, имеет обозначение npb→a→→. Известно, что когда угол междуa→ и b→, можно считать npb→a→→ и b→ сонаправленными. В случае, когда угол тупой, npb→a→→ и b→противоположно направлены. В ситуации перпендикулярностиa→ и b→, причем a→ – нулевой, проекция a→ по направлению b→ является нулевым вектором.
Числовая проекция вектора на ось
Числовая характеристика проекции вектора на ось – числовая проекция вектора на заданную ось.
Числовой проекцией вектора на ось называют число, которое равно произведению длины данного вектора на косинус угла между данным вектором и вектором, который определяет направление оси.
Числовая проекция AB→ на L имеет обозначениеnp LAB→, а a→ на b→ – npb→a→.
Исходя из формулы, получим npb→a→=a→·cosa→, b→^, откуда a→ является длиной вектора a→, a⇀, b→^ – угол между векторами a→ и b→.
Получим формулу вычисления числовой проекции: npb→a→=a→·cosa→, b→^. Она применима при известных длинах a→ и b→ и угле между ними. Формула применима при известных координатах a→ и b→, но имеется ее упрощенный вид.
Узнать числовую проекцию a→ на прямую по направлению b→ при длине a→ равной 8 и углом между ними в 60 градусов. По условию имеем a⇀=8, a⇀, b→^=60°. Значит, подставляем числовые значения в формулу npb⇀a→=a→·cosa→,b→^=8·cos 60°=8·12=4.
Ответ: 4.
При известном cos(a→, b→^)=a⇀, b→a→·b→, имеем a→, b→ как скалярное произведение a→ и b→. Следуя из формулы npb→a→=a→·cosa⇀, b→^, мы можем найти числовую проекцию a→ направленную по вектору b→ и получим npb→a→=a→, b→b→. Формула эквивалента определению, указанному в начале пункта.
Числовой проекцией вектора a→ на ось , совпадающей по направлению с b→, называют отношение скалярного произведения векторовa→ иb→ к длине b→. Формула npb→a→=a→,b→b→ применима для нахождения числовой проекции a→ на прямую, совпадающую по направлению с b→, при известных a→ и b→ координатах.
Задан b→=(-3, 4). Найти числовую проекцию a→=(1, 7) на L.
Решение
На координатной плоскости npb→a→=a→, b→b→ имеет вид npb→a→=a→, b→b→=ax·bx+ay·bybx2+by2, при a→=(ax, ay) и b→=bx, by. Чтобы найти числовую проекцию вектора a→ на ось L, нужно: npLa→=npb→a→=a→,b→b→=ax·bx+ay·bybx2+by2=1·(-3)+7·4(-3)2+42=5.
Ответ: 5.
Найти проекцию a→ на L, совпадающей с направлением b→, где имеются a→=-2, 3, 1 и b→=(3, -2, 6). Задано трехмерное пространство.
Решение
По заданнымa→=ax, ay, az и b→=bx, by, bz вычислим скалярное произведение: a⇀, b→=ax·bx+ay·by+az·bz. Длину b→ найдем по формуле b→=bx2+by2+bz2. Отсюда следует, что формула определения числовой проекции a→ будет: npb→a⇀=a→, b→b→=ax·bx+ay·by+az·bzbx2+by2+bz2.
Подставляем числовые значения: npLa→=npb→a→=(-2)·3+3·(-2)+1·632+(-2)2+62=-649=-67.
Ответ: -67.
Просмотрим связь междуa→ на L и длиной проекции a→ на L. Начертим ось L, добавив a→ и b→ из точки на L, после чего проведем перпендикулярную прямую с конца a→ на L и проведем проекцию на L. Существуют 5 вариаций изображения:
Первый случай при a→=npb→a→→ означает a→=npb→a→→, отсюда следует npb→a→=a→·cos(a,→b→^)=a→·cos0°=a→=npb→a→→.
Второй случай подразумевает применение npb→a→⇀=a→·cosa→,b→, значит, npb→a→=a→·cos(a→,b→)^=npb→a→→.
Третий случай объясняет, что при npb→a→→=0→ получаем npb⇀a→=a→·cos(a→,b→^)=a→·cos90°=0, тогда npb→a→→=0 и npb→a→=0=npb→a→→.
Четвертый случай показывает npb→a→→=a→·cos(180°-a→,b→^) = -a→·cos(a →, b→^), следует npb→a→=a→·cos(a→,b→^)=-npb→a→→.
Пятый случай показывает a→=npb→a→→, что означаетa→=npb→a→→, отсюда имеем npb→a→=a→·cosa→,b→^=a→·cos180°=-a→=-npb→a→.
Числовой проекцией вектора a→ на ось L, которая направлена как и b→, имеет значение:
- длины проекции вектора a→ на L при условии, если угол между a→ и b→ меньше 90 градусов или равен 0: npb→a→=npb→a→→ с условием 0≤(a→,b→)^<90°;
- ноля при условии перпендикулярности a→ и b→: npb→a→=0, когда (a→, b→^)=90°;
- длины проекции a→ на L, умноженной на -1, когда имеется тупой или развернутый угол векторов a→ и b→: npb→a→=-npb→a→→ с условием 90°<a→,b→^≤180°.
Дана длина проекцииa→ на L, равная 2. Найти числовую проекциюa→ при условии, что угол равен 5π6 радиан.
Решение
Из условия видно, что данный угол является тупым: π2<5π6<π. Тогда можем найти числовую проекцию a→ на L: npLa→=-npLa→→=-2.
Ответ: -2.
Дана плоскость Охyzс длиной вектора a→ равной 63,b→(-2, 1, 2) с углом в 30 градусов. Найти координаты проекции a→ на ось L.
Решение
Для начала вычисляем числовую проекцию вектораa→: npLa→=npb→a→=a→·cos(a→,b→)^=63·cos30°=63·32=9.
По условию угол острый, тогда числовая проекция a→= длине проекции вектора a→: npLa→=npLa→→=9. Данный случай показывает, что векторы npLa→→ и b→ сонаправлены, значит имеется число t, при котором верно равенство: npLa→→=t·b→. Отсюда видим, что npLa→→=t·b→, значит можем найти значение параметра t: t=npLa→→b→=9(-2)2+12+22=99=3.
Тогда npLa→→=3·b→ с координатами проекции вектора a→ на ось L равны b→=(-2,1, 2), где необходимо умножить значения на 3. Имеем npLa→→=(-6, 3, 6). Ответ: (-6, 3, 6).
Необходимо повторить ранее изученную информацию об условии коллинеарности векторов.
Преподаватель математики и информатики. Кафедра бизнес-информатики Российского университета транспорта
В математике существуют два определения:
1) геометрическая проекция вектора — вектор;
2) проекция вектора на ось — число.
Геометрическая проекция вектора — это вектор, который можно получить, если провести перпендикуляры от концов вектора до выбранной оси. Проекция начала вектора соответствует началу геометрической проекции, а проекция конца вектора соответствует концу геометрической проекции.
Ваш браузер не поддерживает HTML5 видео
Для вектора
v→
геометрическая проекция на оси (t) — это вектор
vt→
.
Для вектора
n→
геометрическая проекция на оси (y) — это вектор
ny→
.
Проекция вектора на ось — это скалярная величина (число), равная длине геометрической проекции вектора, если направление оси и геометрической проекции совпадают; или число, противоположное длине геометрической проекции вектора, если направления геометрической проекции и оси — противоположные.
ax=4bx=−3
Если длина вектора
a→
равна
a→
и
α
— это острый угол, созданный вектором и осью (x), то скалярная проекция вектора вычисляется по формуле:
ax=a→⋅cosα
.
Знак проекции вектора выбирается в зависимости от направления оси.
На рисунке видно, что эту формулу можно получить из соотношения в прямоугольном треугольнике:
.
Обрати внимание!
Если вектор и ось проекций параллельны, то скалярная проекция на этой оси — число, которое равно длине вектора, если направления вектора и оси совпадают, или число, противоположное длине вектора, если направления вектора и оси — противоположные.
Если вектор и ось проекций перпендикулярны, то проекция вектора на этой оси равна (0).
at=3bt=−5ct=0dt=0
Проекция вектора на ось
Вектор может отбрасывать тень (проекцию) на какую-нибудь ось
Рис. 1. Векторы и их проекции на ось Ox
На рисунке 1 изображены векторы ( vec{a} ), ( vec{b} ), ( vec{c} ), ( vec{g} ) и их проекции на ось Ox.
Если:
- вектор параллелен оси, то «его проекция = его длина», пример для вектора ( vec{g} );
- вектор перпендикулярен оси, то его проекция равна нулю, пример для вектора ( vec{b} );
- проекция направлена против оси, то её записывают со знаком «-», пример для вектора ( vec{a} ).
- чем больше вектор наклоняется к оси, тем больше его проекция на эту ось. Сравните проекции векторов ( vec{c} ) и ( vec{g} ).
Примечание:
Длина вектора – это положительная величина, а проекция вектора может быть отрицательной
Как разложить вектор на проекции
Мы уже находили длину и направление вектора по его координатам.
Теперь решим обратную задачу: пользуясь длиной и направлением вектора, найдем его координаты.
На плоскости (две оси) легко разложить вектор на проекции, если известны:
- длина вектора и
- угол между вектором и какой-либо осью (угол обозначается дугой).
Алгоритм действий для разложения вектора на проекции
- Проводим прямоугольник так, чтобы вектор стал его диагональю.
- Диагональ разделит прямоугольник на треугольники. Эти два треугольника прямоугольные.
- Выберем треугольник, в котором угол отмечен дугой.
- Дуга одним своим концом всегда касается гипотенузы, а вторым концом – одного из катетов.
Важно! Вектор, который мы раскладываем, всегда является гипотенузой.
Рис. 2. Проекции вектора поможет найти угол между вектором и осью
Формулы разложения вектора на проекции
Формулы разложения легко запомнить с помощью фразы:
Гипотенузу умножаем на косинус (угла), получаем катет, который касается (дуги).
На языке математики эта фраза запишется так:
[ |vec{m}| cdot cos(alpha) = m_{x} ]
Катет ( m_{x} ) – это «x» координата вектора.
Если длину вектора умножим на синус, то получим второй катет:
[ |vec{m}| cdot sin(alpha) = m_{y} ]
Катет ( m_{y} ) – это «y» координата вектора.
Обе формулы запишем в виде системы:
[ large boxed {begin{cases} left|vec{m}right| cdot cos(alpha) = m_{x} \ left|vec{m}right| cdot sin(alpha) = m_{y} end{cases}} ]
Величина ( |vec{m}| ) — это длина вектора ( vec{m} )
Оценка статьи:
Загрузка…
