- Подробности
- Обновлено 18.06.2019 23:33
- Просмотров: 489
О векторных величинах
1. Какая величина называется векторной (или просто вектором)?
Физическая величина, которая характеризуется не только числовым значением (модулем), но и направлением, называется векторной величиной (или просто вектором).
Для векторной величины одинаково важны числовое значение (модуль) и направление.
Примеры векторных величин:
– скорость,
– перемещение,
– сила.
2. Какая величина называются скалярной (или просто скаляром)?
Величины, которые не имеют направления и задаются только числом, называются скалярными величинами или скалярами.
Примеры скалярных величин:
– число книг на полке,
– длина карандаша,
–
высота комнаты.
Модуль вектора – тоже скаляр.
3. Как изображают векторную величину?
Векторную величину изображают в виде стрелки, которая начинается в некоторой точке и заканчивается острием, указывающим направление..
Такой отрезок-стрелка называется вектором.
Длина стрелки в выбранном масштабе выражает модуль векторной величины.
Векторы обозначают буквами со стрелкой над ними.
Такой же буквой, но без стрелки обозначают модуль вектора.
4. Если два вектора равны друг другу по модулю, но направления векторов различны, то можно ли сказать, что эти векторы равны друг другу?
Нет, нельзя.
Равными считаются векторы, у которых одинаковы и модули, и направления.
5. Чем отличается векториая величина от скалярной?
Векторная величина характеризуется модулем (величиной) и направлением, а скалярная величина – только модулем.
Вектор имеет направление, а скаляр не имеет направления.
Проекция вектора на координатную ось
1. Как построить проекцию вектора на координатную ось?
Есть вектор а.
Опустим из точки А (начало вектора) и точки В (конец вектора) перпендикуляры на ось ОX.
Получим на оси точки ха и хв — это проекции точек А и В на ось ОX.
Длину отрезка ха-хв между проекциями начала и конца вектора называют проекцией вектора а на ось ОX и обозначают, как ах.
Проекцию вектора на ось обозначают той же буквой, что и вектор, но без стрелки и с индексом оси.
Проекция вектора — величина скалярная.
2. Если вектор перемещения параллелен координатной оси, то чему равен модуль проекции вектора на эту ось?
Если вектор параллелен оси координат, то модуль его проекции ( |ax| ) равен модулю ( a ) самого вектора.
3. Что называют проекцией вектора на координатную ось?
Длину отрезка на координатной оси между проекциями начала и конца вектора, взятую со знаком « + » или « —», называют проекцией вектора а на координатную ось.
3. Когда проекция вектора на ось будет положительной, а когда – отрицательной?
Проекция вектора на координатную ось может быть, как положительной, так и отрицательной.
Проекция вектора на ось считается положительной, если вектор сонаправлен с этой осью.
Проекция вектора на ось считается отрицательной, если вектор направлен противоположно оси.
Если вектор перпендикулярен координатной оси, то при любом направлении вектора его проекция на ось равна нулю.
Следующая страница – смотреть
Назад в “Оглавление” – смотреть
Векторы — основные понятия и формулы
На прошлом занятии мы разобрались с основными определениями кинематики.
И ты наверняка обратил внимание, что некоторые величины имеют только значение (число) – например, путь ((L)).
А некоторые имеют и число, и направление — например, перемещение ((vec{S})).
И сейчас ты узнаешь, почему это настолько важно.
Векторы — коротко о главном
- Существуют скалярные величины: они имеют значение, но не имеют направления;
- Существуют векторные величины. Они имеют как значение, так и направление;
- Значение вектора есть его длина;
- Для большинства операций над векторами необходим пареллельный перенос;
- Вектор можно умножать на скаляр;
- Нулевой вектор – вектор, начало которого совпадает с концом;
- Коллинеарные векторы – векторы, лежащие на одной прямой или на параллельных прямых;
- Коллинеарные векторы, имеющие одинаковую длину и противоположные направления, называются обратными друг другу;
- Векторы можно складывать и вычитать разными методами;
- Правило параллелограмма действует как для сложения, так и для вычитания векторов;
- Векторы можно умножать друг на друга двумя различными способами: скалярным и векторным;
- Проекция вектора на ось — разность между координатами проекций точек конца и начала вектора на ось;
- Если вектор направлен туда же, куда и ось, его проекция положительна. Если вектор направлен в другую сторону, его проекция отрицательна;
- Вектор сам по себе не может быть отрицательным;
- Длина вектора так же не может быть отрицательной;
- Проекция вектора бывает отрицательной;
- Над проекциями тоже можно совершать действия, и это удобнее, чем работать с векторами;
- Проекция суммы векторов равна сумме проекций векторов;
- Проекция разности векторов равна разности проекций векторов;
- С проекцией вектора можно работать как с числом;
Решать задачи с векторами — легко!
Векторы и… Колумб
В 1492 году Колумб приказал кораблям изменить курс на запад-юго-запад, полагая, что он и его команда уже прошли мимо Японии, не заметив ее островов.
Вскоре его экспедиция наткнулась на множество архипелагов, которые ошибочно принимали за земли Восточной Азии. И теперь, спустя века, американцы в октябре отмечают высадку Колумба в Новом Свете.
Кто знает, как повернулась бы история, если бы его корабли не поменяли свое направление?
О направлении
Направление – одна из важнейших характеристик движения.
Подумай, какие из этих величин являются просто числами, а какие тоже являются числами, но имеют еще и направление.
- сила;
- время;
- скорость;
- длина;
- перемещение;
- масса;
- температура;
Наверное, ты без труда заметил, что направление имеют сила, скорость, перемещение, а время, длина, масса и температура – это просто числа.
Так вот, «просто числа» — это скалярные величины (их также называют скалярами).
А «числа с направлением» — это векторные величины (их иногда называют векторы).
В физике существует множество скалярных и векторных величин.
Что такое скалярная величина?
Скалярная величина, в отличие от вектора, не имеет направления и определяется лишь значением (числом)
Это, например, время, длина, масса, температура (продолжи сам!)
Что такое векторная величина?
Векторная величина – это величина, которая определяется и значением, и направлением.
В случае с векторами нам важно, куда мы, например, тянем груз или в какую сторону движемся.
Например, как на этом рисунке изображен вектор силы (нам важно не только с какой силой, но и куда мы тянем груз):
Как обозначаются векторы?
Векторы принято обозначать специальным символом – стрелочкой над названием. Вот, например, вектор перемещения: (vec{S})
Значение вектора – это модуль вектора, то есть его длина.
Обозначить это можно двумя способами: (left| {vec{S}} right|) или (S)
Операции над векторами
Для решения задач необходимо уметь работать с векторами: складывать, вычитать, умножать их.
Давай научимся это делать. Мы пойдем от простого к сложному, но это вовсе не значит, что будет трудно!
Умножение вектора на число
Если вектор умножить на какое-либо число (скаляр), мы просто «растягиваем» вектор, сохраняя его направление. Получившийся вектор сонаправлен начальному, то есть они имеют одинаковое направление.
Это обозначается так: (vec{a}uparrow uparrow vec{b})
(Если направление противоположно, обозначаем так: (vec{a}uparrow downarrow vec{b}))
Рассмотрим на примере, используя клетку для точности построений:
Если вектор умножить на ноль, он станет нулевым.
Обязательно нужно ставить значок вектора над нулем! Нельзя говорить, что векторная величина просто равна скалярной:
(vec{c}=0cdot vec{a}Rightarrow vec{c}=vec{0})
Рассмотрим некоторые свойства нулевого вектора.
Если он нулевой, то его длина равна нулю! Логично, не правда ли?
А это значит, что его начало совпадает с концом, это просто какая-то точка.
Нулевой вектор – вектор, начало которого совпадает с концом.
Нулевой вектор принято считать сонаправленным любому вектору.
Его мы можем получить не только путем умножения вектора на ноль, но и путем сложения противонаправленных векторов:
(vec{a}+(-vec{a})=vec{0})
А если к любому вектору прибавит нулевой, ничего не изменится:
(vec{a}+vec{0}=vec{a})
Если вектор умножают на отрицательное число, он изменит свое направление на противоположное. Такой вектор называется обратным данному.
Но такие векторы должны быть коллинеарны. Звучит как скороговорка, но ничего страшного. Главное – понять суть.
Коллинеарные векторы – векторы, лежащие на одной прямой или на параллельных прямых.
Две прямые параллельны: (qparallel p)
Векторы лежат на одной прямой: они коллинеарны. По направлению видно, что они противонаправлены, это обозначается так:
(vec{a}uparrow downarrow vec{c})
Векторы лежат на параллельных прямых, они коллинеарны. При этом они сонаправлены:
(vec{a}uparrow uparrow vec{b})
Эти двое тоже коллинеарны! Они ведь лежат на параллельных прямых. При этом они противонаправлены:
(vec{b}uparrow downarrow vec{c})
Коллинеарные векторы, имеющие одинаковую длину и противоположные направления, называются обратными друг другу.
Параллельный перенос векторов
Одно из важных свойств вектора, которое очень часто помогает в операциях над ним, – параллельный перенос.
Если передвинуть вектор, не меняя его направления и длины, он будет идентичен начальному. Это свойство – параллельный перенос.
Сложение векторов по правилу треугольника
Сложение векторов – одна из самых легких и приятных вещей. Предположим, у нас есть два вектора:
Наша цель – найти такой вектор, который будет являться суммой двух данных:
(vec{c}=vec{a}+vec{b})
Для начала нужно сделать так, чтобы конец одного вектора был началом другого. Для этого воспользуемся параллельным переносом:
Теперь достроим до треугольника.
Но как узнать направление нужного нам вектора?
Все просто: вектор суммы идет от начала первого слагаемого к концу второго, мы словно «идём» по векторам:
Это называется правилом треугольника.
Больше двух слагаемых векторов. Сложение по правилу многоугольника
Но что делать, нам нужно сложить не два, а три, пять векторов или даже больше?
Мы руководствуемся той же логикой: соединяем векторы и «идём» по ним:
(vec{e}=vec{a}+vec{b}+vec{c}+vec{d})
Это называется правилом многоугольника.
Вычитание векторов через сложение
Вычитание векторов не сложнее. Это даже можно сделать через сумму! Для этого нам понадобится понятие обратного вектора. Запишем разность так:
(vec{c}=vec{a}-vec{b}=vec{a}+(-vec{b}))
Тогда нам лишь остается найти сумму с обратным вектором:
А сделать это очень легко по правилу треугольника:
Всегда помни, что вычитание можно представлять сложением, а деление — умножением на дробь.
Вычитание векторов через треугольник
Вычитать векторы можно через треугольник. Основная задача будет состоять в том, чтобы определить направление вектора разности.
Итак, векторы должны выходить из одной точки. Далее мы достраиваем рисунок до треугольника и определяем положение. Рассмотрим два случая:
(vec{c}=vec{a}-vec{b})
(vec{c}=vec{b}-vec{a})
Направление вектора разности зависит от того, из какого вектора мы вычитаем. У них совпадают концы.
Универсальное правило параллелограмма
Есть еще один способ сложения и вычитания векторов.
Способ параллелограмма наиболее востребован в физике и сейчас ты поймешь, почему. Основа в том, чтобы векторы выходили из одной точки, имели одинаковое начало.
Вот так:
Ничего не напоминает?
Именно! Когда мы делаем чертеж к задачам по физике, все силы, приложенные к телу, мы рисуем из одной точки.
В чем же заключается правило параллелограмма? С помощью параллельного переноса достроим до параллелограмма:
Тогда вектор суммы будет диагональю этой фигуры. Это легко проверяется правилом треугольника. Начало этого вектора совпадает с началом двух слагаемых векторов:
Другая диагональ будет являться разностью этих векторов. Направление определяем так же, как делали раньше.
(vec{c}=vec{a}+vec{b})
(vec{d}=vec{a}-vec{b})
Векторное произведение векторов
Векторное произведение векторов пригодится нам в электродинамике.
Его формула лишь немного отличается от предыдущей:
(vec{a}times vec{b}=left| {vec{a}} right|cdot left| {vec{b}} right|cdot sin varphi )
В отличие от скалярного произведения, результатом его является вектор и его даже можно изобразить!
После параллельного переноса векторов и нахождения угла между ними достроим их до параллелограмма и найдем его площадь. Площадь параллелограмма равна длине вектора произведения:
Этот вектор одновременно перпендикулярен двум другим. Его направление зависит от условного порядка векторов, который либо определен какими-то фактами (когда мы будем изучать силу Лоренца), либо является свободным.
Об этом мы поговорим подробнее, когда будем изучать электродинамику.
Итак, мы разобрали операции с векторами, рассмотрев даже самые сложные из них. Это было не так тяжело, верно? Так происходит не только с векторами, но и со многими другими темами. Идя от легкого к сложному, мы даже не заметили трудностей.
Ведь всегда стоит помнить о том, что даже самое длинное путешествие начинается с первого шага.
Проекции векторов
Что такое проекция вектора и с чем ее едят?
Мы уже выяснили, что над векторами можно проводить множество операций. Здорово, когда можешь начертить векторы, достроить их до треугольника и измерить результат линейкой.
Но зачастую физика не дает нам легких цифр. Наша задача – не отчаиваться и быть умнее, упрощая себе задачи.
Для того, чтобы работать с векторами как с числами и не переживать об их положении и о точности рисунков, были придуманы проекции.
Проекция вектора – словно тень, которую он отбрасывает на ось координат. И эта тень может о многом рассказать.
Ось координат — прямая с указанными на ней направлением, началом отсчёта и выбранной единицей масштаба.
Ось можно выбрать произвольно. В зависимости от ее выбора можно либо значительно упростить решение задачи, либо сделать его очень сложным.
Именно поэтому необходимо научиться работать с проекциями и осями.
Построение проекции. Определение знака
Возьмем вектор и начертим рядом с ним произвольную ось. Назвать ее тоже можно как угодно, но мы назовем ее осью Х.
Теперь опустим из начала и конца вектора перпендикуляры на эту ось. Отметим координаты начала (Х0) и конца (Х). Рассмотрим отрезок, заключенный между этими точками.
Казалось бы, мы нашли проекцию. Однако думать, что проекция является простым отрезком, – большое заблуждение.
Не все так просто: проекция может быть не только положительной. Чтобы найти проекцию, нужно из координаты конца вычесть координату начала:
({{a}_{x}}=x-{{x}_{0}})
Проекция вектора на ось — разность между координатами проекций точек конца и начала вектора на ось.
Проекция обозначается так:
({{a}_{x}}), где a – название вектора, х – название оси, на которую проецируется вектор.
В случае выше определить знак довольно легко. Сразу видим, что координата конца численно больше координаты начала и делаем вывод о том, что проекция положительна:
(x>{{x}_{0}}Rightarrow {{a}_{x}}>0)
Порой работать с буквами трудно. Поэтому предлагаю взять конкретный пример:
Рассмотрим другой случай. В этот раз координата начала больше координаты конца, следовательно, проекция отрицательна:
(x<{{x}_{0}}Rightarrow {{b}_{x}}<0)
Пример на конкретных числах:
Рассмотрим еще один интересный случай.
Давай разместим ось так, чтобы вектор был ей перпендикулярен. Проекции точек начала и конца совпадут и проекция вектора будет равна нулю!
(x={{x}_{0}}Rightarrow {{c}_{x}}=0)
Анализ углов
Рассматривая эти ситуации, можно заметить, что знак, который принимает проекция вектора напрямую зависит от угла между вектором и осью, то есть от его направления!
Из начала вектора проведем луч, параллельный оси и направленный в ту же сторону, что и ось. Получим угол между вектором и осью.
Если угол острый, проекция положительна:
(alpha <{{90}^{o}}Rightarrow {{a}_{x}}>0)
Если угол тупой, проекция отрицательна:
(beta >{{90}^{o}}Rightarrow {{b}_{x}}<0)
Если угол прямой, она равна нулю:
(gamma ={{90}^{o}}Rightarrow {{c}_{x}}>0)
Обрати особое внимание на то, какой именно угол является углом между вектором и осью!
Частные случаи проекции
Настоящий подарок судьбы – тот момент, когда вектор параллелен оси. Это сохраняет драгоценное время при решении множества задач. Рассмотрим эти случаи.
Если вектор параллелен оси, угол между ними либо равен нулю, либо является развернутым (180О). Это зависит от направления.
При этом длина проекции совпадает с длиной вектора! Смотри!
Как и прежде, если вектор направлен туда же, куда и ось, проекция положительна:
(alpha ={{0}^{o}}Rightarrow {{a}_{x}}=a)
Если вектор направлен в другую сторону, проекция отрицательна:
(alpha ={{180}^{o}}Rightarrow {{a}_{x}}=-a)
Если вектор направлен туда же, куда и ось, его проекция положительна. Если вектор направлен в другую сторону, его проекция отрицательна.
Эти утверждения применимы не только к векторам, которые параллельны оси. Это особенно удобно использовать в тех случаях, когда ось направлена под углом.
Что? Почему раньше не сказал? А… Ну…
Хватит вопросов! Вот тебе пример:
(vec{a}) направлен в ту же сторону, что и ось. Его проекция положительна.
(vec{b}) направлен противоположно оси. Его проекция отрицательна.
Еще один частный случай – работа с обратными векторами.
Давай выясним, как связаны проекции данного вектора и вектора, который является ему обратным. Начертим их и обозначим координаты начал и концов:
Проведем дополнительные линии и рассмотрим два получившихся треугольника. Они прямоугольны, так как проекция строится с помощью перпендикуляра к оси.
Наши векторы отличаются лишь направлением. При этом, если мы просто посмотрим на них как на прямые, мы можем сказать, что они параллельны. Их длины тоже одинаковы.
Прямоугольные треугольники равны по углу и гипотенузе. Это значит, что численно равны и их катеты, в том числе те, которые равны проекциям:
(vec{a}’=-vec{a}) — векторы обратны друг другу;
(left| {vec{a}} right|=left| vec{a}’ right|) — равенство длин векторов;
Мы помним, что обратные векторы всегда коллинеарны. Это значит, что прямые, на которых они расположены, находятся под одним углом к оси:
(alpha =alpha ‘)
Остается лишь определиться со знаками. Данный вектор направлен по оси Х, а обратный ему – против. Значит, первый положителен, а второй отрицателен. Но модули их равны, так как равны их длины.
({{a}_{x}}=-a_{x}^{‘})
Проекции обратных векторов равны по модулю и противоположны по знаку.
Давайте еще раз уточним.
Вектор сам по себе не может быть отрицательным (обратный вектор есть вектор, умноженный на минус единицу).
Длина вектора так же не может быть отрицательной. Длина есть модуль вектора, а модуль всегда положителен.
Проекция вектора бывает отрицательной. Это зависит от направления вектора.
Способы нахождения проекций и векторов с помощью тригонометрии
Зная угол между вектором и осью, можно не прибегать к координатам. Углы, прямоугольные треугольники… Всегда стоит помнить, что, если ты видишь прямоугольный трегольник, тригонометрия протянет тебе руку помощи.
Именно тригонометрия чаще всего применяется в задачах, где требуется работать с проекциями. Особенно она помогает в задачах на второй закон Ньютона.
Рассмотрим вектор и его проекции на оси:
Можем заметить, что проекции вектора соответствуют катетам прямоугольного треугольника, который легко можно достроить:
Тогда обозначим прямой угол и угол между вектором и осью:
Зная, что проекции соответствуют катетам, мы можем записать, чему равны синус и косинус угла. Они равны отношению проекций к гипотенузе. За гипотенузу считаем длину данного вектора.
Из этих уравнений легко выражаются проекции.
(sin alpha =frac{{{a}_{y}}}{a})
(cos alpha =frac{{{a}_{x}}}{a})
А еще следует помнить, что из проекций мы можем найти длину данного вектора с помощью теоремы Пифагора:
({{a}^{2}}=a_{x}^{2}+a_{y}^{2})
Зная, как работать с проекциями векторов и часто практикуясь, можно довести свои навыки решения большинства задач механики до совершенства.
Действия над проекциями векторов. Решение задач
Умение применять свои знания на практике невероятно важны. Это касается не только физики.
Мы знаем, что проекции были придуманы для того, чтобы работать не с векторами, а с числами.
Давай попробуем.
Сложение проекций. Доказательство главного свойства
Предположим, у нас есть два вектора и нам нужно найти их сумму. Посчитать по клеткам нам вряд ли удастся:
Спроецируем оба вектора на ось Х. Заметим, что конец одного вектора есть начало второго, то есть их координаты совпадают:
Давай посчитаем проекции векторов и проекцию вектора их суммы:
Мы можем заметить, что сумма проекций двух данных векторов оказалась равна проекции вектора их суммы!
Намного важнее уметь доказывать гипотезы в общем виде.
Тогда никто не сможет упрекнуть тебя в том, что твои утверждения – просто результат совпадения!
Согласно определению проекции, запишем уравнения проекций для двух данных векторов и вектора их суммы:
Заметим, что некоторые точки совпадают. Начало (vec{a}) совпадает с началом (vec{c}). Как мы заметили ранее, конец (vec{a}) совпадает с началом (vec{b}). А конец (vec{b}) совпадает с концом (vec{c}).
Затем запишем, чему равна сумма этих векторов.
Видим, что конец (vec{a}) и начало (vec{b}) одинаковы. Поэтому избавимся от повторов:
У нас остались лишь начало (vec{a}) и конец (vec{b}). А это в свою очередь начало и конец (vec{c})!
Мы доказали нашу гипотезу.
Но что насчет разности?
Все очень просто! Помнишь, как мы считали разность через сумму? Здесь это делается аналогично!
Таким образом,
Проекция суммы векторов равна сумме проекций векторов.
Проекция разности векторов равна разности проекций векторов.
Или можно записать так:
(vec{c}=vec{a}pm vec{b}Rightarrow {{c}_{x}}={{a}_{x}}pm {{b}_{x}})
Простейшие задачи на нахождение проекций
Простейшие задачи на нахождение проекций чаще представлены в виде различных графиков или рисунков.
Давай научимся с ними работать.
Нам даны оси и векторы. Задача: найти проекции каждого из них на обе оси.
Будем делать все по порядку. Для каждого вектора предлагаю сначала определить знак проекций, а затем посчитать их.
В первом случае вектор направлен против оси Х.
Значит, его проекция на эту ось будет отрицательна. Мы убедимся в этом с помощью вычислений.
Сразу бросается в глаза то, что вектор расположен перпендикулярно оси Y. Его проекция на эту ось будет равна нулю, ведь расстояние между проекциями точек начала и конца равно нулю!
Рассмотрим второй вектор.
Он «сонаправлен» оси Y и «противонаправлен» оси Х. Значит, проекция на ось будет положительна, а на ось Х – отрицательна.
Убедимся в этом.
На осях для удобства отметим проекции точек начала и конца вектора, проведя перпендикуляры. Затем проведем вычисления:
Рассмотрим (vec{c}). Заметим, что он является обратным для (vec{b}): их длины равны, а направления противоположны.
Мы помним, что в таком случае их проекции отличаются лишь знаками. И это действительно так:
Поступаем с (vec{d}) так же, как поступали с первым вектором.
Он перпендикулярен оси Х, а значит его проекция (что есть разность между проекциями точки конца и начала!) на эту ось равна нулю.
Проведя перпендикуляры, считаем проекцию на ось Y:
С (vec{e}) работать приятно: он расположен по направлению обеих осей. Обе его проекции будут положительны, остается лишь посчитать их:
Задачи на нахождение вектора и его угла с осью
С помощью проекций можно найти длину вектора и его направление, а также угол, под которым он находится относительно оси.
Давай попробуем это сделать.
Даны проекции вектора на две оси. Для начала нарисуем оси:
Расположить вектор можно как угодно, поэтому произвольно отметим на осях его проекции. Мы помним, что проекции и вектор образуют прямоугольный треугольник. Давай попробуем его составить.
С проекцией на ось Х все понятно, просто поднимаем ее. Но куда поставить проекцию оси Y?
Для этого нам нужно определить направление вектора. Проекция на ось Х отрицательна, значит вектор направлен в другую сторону от оси.
Проекция на ось Y положительна. Вектор смотрит в ту же сторону, что и ось.
Исходя из этого, мы можем нарисовать вектор и получить прямоугольный треугольник:
Теперь нужно найти длину этого вектора. Используем старую добрую теорему Пифагора:
Обозначим угол (alpha ), который необходимо найти, мы учились это делать в начале изучения проекций. Он расположен вне треугольника. Мы ведь не ищем легких путей, верно?
Рассмотрим смежный ему угол (beta ). Его найти гораздо проще, а в сумме они дадут 180 градусов.
Чтобы сделать это, абстрагируемся от векторов, проекций и просто поработаем с треугольником, стороны которого равны 3, 4 и 5. Найдем синус угла (beta ) и по таблице Брадиса (либо с помощью инженерного калькулятора) определим его значение.
Вычитанием угла (beta ) из 180 градусов найдем угол (alpha ):
Главный метод работы с осями и проекциями в решении физических задач
В большинстве задач по физике, когда в условиях нам дают значения векторных величин, например, скорости, нам дают длину вектора.
Поэтому важно научиться искать проекции вектора и связывать их с ней.
Рассмотрим следующий рисунок (вектор F2 перпендикулярен вектору F3):
Чаще всего с подобным расположением векторов мы встречаемся в задачах, где необходимо обозначить все силы, действующие на тело.
Одним из важных этапов решение «векторной части» этих задач является правильный выбор расположения осей. Он заключается в том, чтобы расположить оси так, чтобы как можно большее число векторов оказались им параллельны.
Как правило, оси располагаются под прямым углом друг к другу, чтобы не получить лишней работы с углами.
Сделаем это для данного рисунка:
Мы видим, что остальные векторы расположены к осям под каким-то углом.
Пунктиром проведем горизонтальную линию и отметим этот угол, а затем отметим другие равные ему углы:
Пришло время искать проекции. У нас две оси, поэтому сделаем для удобства табличку:
Мы располагали оси так, чтобы некоторые векторы были расположены параллельно осям, значит их проекции будут равняться их длинам.
Оси перпендикулярны друг другу, поэтому некоторые проекции будут равняться нулю. Запишем это:
Переходим к векторам, которые расположены под углом.
Выглядит страшно, но это не так!
Дальше идет чистая геометрия. Чтобы не запутаться, рассмотрим лишь часть рисунка. А лучше и вовсе перерисовать его часть, могут открыться много новых вещей.
Из конца вектора F1 проведем перпендикуляр к оси Y. Мы получим прямоугольный треугольник, где нам известен угол (альфа) и гипотенуза (вектор).
Обозначим, что является проекцией. Это катет:
Здесь на помощь придет тригонометрия. Этот катет прилежащий к известному углу. Синус угла есть проекция катета, деленная на гипотенузу. Отсюда можно выразить катет (проекцию) и записать ее в таблицу.
Вспомни, когда мы первый раз встретились с тригонометрией, изучая векторы. Мы тоже рассматривали прямоугольный треугольник.
Найдем проекцию на ось Х. Это, кажется, сложнее, ведь мы не знаем угол…
Знаем! Ведь проекция вектора на ось Х – то же самое, что противолежащий катет уже рассмотренного треугольника, смотри:
Значит, проекцию на ось Х можно найти через косинус.
Не забываем смотреть на направления векторов!
Попробуй найти проекции четвертого вектора самостоятельно и сверься с таблицей.
Значит, проекцию на ось Х можно найти через косинус.
Не забываем смотреть на направления векторов!
Попробуй найти проекции четвертого вектора самостоятельно и сверься с таблицей.
Подготовка к ЕГЭ на 90+ в мини-группах
Алексей Шевчук — ведущий мини-групп
математика, информатика, физика
+7 (905) 541-39-06 — WhatsApp/Телеграм для записи
alexei.shevchuk@youclever.org — email для записи
- тысячи учеников, поступивших в лучшие ВУЗы страны
- автор понятного всем учебника по математике ЮКлэва (с сотнями благодарных отзывов);
- закончил МФТИ, преподавал на малом физтехе;
- репетиторский стаж — c 2003 года;
- в 2021 году сдал ЕГЭ (математика 100 баллов, физика 100 баллов, информатика 98 баллов — как обычно дурацкая ошибка:);
- отзыв на Профи.ру: «Рейтинг: 4,87 из 5. Очень хвалят. Такую отметку получают опытные специалисты с лучшими отзывами».
Закрепленный вектор — упорядоченная пара точек (направленный отрезок, имеющий начало и конец).
Обозначать можем следующими способами: (overrightarrow{AB}), где (A) — начало, а (B) — конец вектора или просто (vec{a}).
Длина вектора — расстояние между началом и концом вектора.
Длина векторов обозначается следующим образом: (|vec{a}|) или (|overrightarrow{AB}|).
Если задана прямоугольная система координат, и координаты начала и конца вектора заданы в ней парами (A=(x_1,y_1)) и (B=(x_2,y_2)) соответственно, тогда координаты вектора можно задать [overrightarrow{AB}={,x_2-x_1, y_2-y_1,}]
Тогда длина вектора (overrightarrow{AB}) задается формулой
[|overrightarrow{AB}|=sqrt{(x_2-x_1)^2-(y_2-y_1)^2}]
Проекцией вектора на какую-либо ось называется длина отрезка между проекциями начала и конца вектора на эту ось, взятая со знаком <<(displaystyle +)>> или <<(displaystyle -)>>.
Например, проекцией вектора (overrightarrow {AB}) на ось можно считать отрезок (displaystyle A’B’), взятый со знаком <<+>>.
Рассмотрим ситуацию, когда брусок движется по наклонной плоскости:
Исходя из рисунка мы можем записать II закон Ньютона в векторной форме: [vec{F}_text{тр}+mvec{g}+vec{N}=mvec{a}]
Запишем теперь проекции на оси:
[OY:-mgcosalpha+N=0] [OX:-F_text{тр}+mgsinalpha=ma]
Посмотрим, как получили два вышеприведенных равенства. Направим оси, как на рисунке, тогда по оси (OY) ускорение и сила трения на тело не действуют, так как они направлены перпендикулярно этой оси, а проекции сил, перпендикулярных оси, равны нулю.
Сила реакции опоры направлена по оси (OY), значит, возьмем ее положительную проекцию.
Также рассмотрим силу тяжести, вектор которой НЕ КОЛЛИНЕАРЕН осям координат, разложим его на два составляющие (см. рисунок сбоку) и возьмем синюю линию, являющуюся проекцией силы тяжести на ось (OY). Из простых геометрических соображений видим, что она равна (-mgcosalpha).
Аналогично действуем для оси (OX).
Сложение векторов можно производить по правилу треугольника или по правилу параллелограмма, рассмотрим на примере.
Даны векторы (vec{a}) и (vec{b}), по правилу треугольника мы можем получить сумму (vec{a}+vec{b}), совместив конец вектора (vec{a}) с началом вектора (vec{b}).
Даны векторы (vec{a}) и (vec{b}), по правилу параллелограмма мы можем получить сумму (vec{a}+vec{b}), совместив начало вектора (vec{a}) с началом вектора (vec{b}).
Умножение вектора на число.
Рассмотрим различные варианты произведения вектора (vec{a}) на какое-то вещественное число (lambda):
1) (lambda=0)
[vec{a}cdot0=vec{0}]
При умножении на нулевое число получается нулевой вектор (вектор нулевой длины);
2) (lambda>0)
При умножении на положительное число получается вектор, сонапаравленный исходному вектору (происходит просто “удлинение” или “укорачивание” нашего вектора, направление не меняется);
3) (lambda<0)
При умножении на отрицательное число получается вектор, противоположно направленный исходному вектору (происходит “разворот” вектора на 180 градусов и изменение его длины одновременно).
Скалярное произведение
Скалярным произведением векторов называют число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними.
Обозначение скалярного произведения векторов (vec{a}) и (vec{b}) имеет вид ((vec{a},vec{b})=|vec{a}|cdot|vec{b}|cdotcosBig(widehat{vec{a},vec{b}}Big))
Физический смысл скалярного произведения
Работу (A) тела, перемещаемого из точки (M) в (N) с постоянной силой (vec{F}), можно найти как произведение длин векторов (vec{F}) и (overrightarrow{MN}) с косинусом угла между ними, значит работа равна скалярному произведению векторов силы и перемещения:
[A=Big(vec{F},overrightarrow{MN}Big)]
Вектор в Физике вещь очень полезная. Очень наглядно используется в качестве модели физической величины. В данной статье накапливается необходимая информация по использованию векторов в Физике.
Накопление происходит в объеме подготовки к ЕГЭ по физике (см. статью канала “Работаем с Физикой на сайте “Решу ЕГЭ“).
Вектор. Несколько общих слов
В физике и математике вектор – это величина, которая характеризуется своим численным значением и направлением. В физике встречается немало важных величин, являющихся векторами, например сила, скорость, ускорение, вращающий момент, импульс, напряженность электрического и магнитного полей. Их можно противопоставить другим величинам, таким, как масса, объем, давление, температура и плотность, которые можно описать обычным числом, и называются они “скалярами”.
( https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6343/ВЕКТОР).
Вектор в Физике
На рис.1 мы видим как некоторая сила F приложена к телу под углом 𝛂 (пока я не научился в статьях Дзен размещать значок вектора над символами, его обозначающего – значка не будет. Если кто знает, как это делать – пишите в комментариях). Направленный отрезок АО показывает: 1) направление и угол действия силы; 2) значение силы (в масштабах осей y и х). Во многих задачах физики требуется знать проекцию силы на координатные оси Fx и Fy (на рис.1 отрезки СО и BO). Обратите внимание на знак вектора Fy (сила F направлена в противоположную сторону оси y).
Операция с векторами
Сравнение векторов
При сравнении параллельных векторов, имеющих одинаковое численное значение но разное направление используют следующее правило (рис. 2).
Это правило может внести путаницу в знаках векторных и скалярных выражениях баланса сил (рис. 3).
Сложение и вычитание векторов
Одна из наиболее часто встречающихся операций с векторными физическими величинами – сложение и вычитание. Рассмотрим простую ситуацию – криволинейное движение тела (рис. 2).
Представим, что тело движется по окружности с постоянной по значению скоростью (например, 10 м/с). Есть ли у такого движения ускорение – многие ответят нет (значение скорости ведь не меняется). А вот вектора показывают наличие разности скорости (и соответственно наличие ускорения, которое называют центростремительным). И всё потому, что скорость величина не скалярная, а векторная!
Для построения вектора разности скорости 𝚫V необходимо построить вектор V₂’ путем параллельного переноса точек начала и окончания вектора V₂ . 𝚫V будет являться разностью векторов V₂ и V₁.
Заключение
В заключение повторимся, что статья будет пополняться новой информацией, связанной с применением вектров в Физике (по мере необходимости).
Автор с благодарностью примет любые пожертвования на развитие канала https://money.yandex.ru/to/4100170126360.
На
прошлом уроке мы с вами говорили о пути и перемещении тела. Давайте вспомним,
что путь — это скалярная величина, равная длине траектории, которую
описывает тело за некоторый промежуток времени.
А
перемещением называется направленный отрезок прямой, соединяющий
начальное и конечное положения тела.
Так
как перемещение — это векторная величина, то есть имеет модуль и направление,
то складывать и вычитать перемещения необходимо по правилам сложения и
вычитания векторов. Однако при решении большинства задач, используется понятие
не вектора, а проекции вектора на ось координат.
—
А что такое проекция вектора и каковы её свойства?
На
это вопрос мы с вами и попытаемся сегодня ответить. Начнём с простого — с
понятия проекция точки на ось. Проекция точки — это основание
перпендикуляра, опущенного из данной точки на ось.
На
представленном рисунке точка А1 — это проекция точки А
на ось Ox,
а точка B1 —
проекция точки B
на
ось Oy.
Теперь
разберёмся с проекцией вектора на ось. Согласно определению, проекция
вектора на ось — это длина отрезка между проекциями начала и конца вектора на
эту ось, взятая со знаком «плюс» или «минус».
Знак
«плюс» берут, если угол между вектором и осью острый, а «минус» — если угол
тупой.
Обозначать
проекцию вектора будем той же буквой, что и вектор, но с индексом внизу
(например, ax
— это проекция вектора a
на ось Ox).
—
А если вектор перпендикулярен оси?
Тогда
проекция этого вектора равна нулю.
Проекцию
вектора можно выразить через его модуль и угол между вектором и осью. Итак,
пусть у нас есть вектор a
направленный под некоторым острым углом к координатной оси Ox. Укажем проекцию этого вектора на
ось.
У
нас с вами получился прямоугольный треугольник, гипотенуза которого равна длине
вектора a,
а катет AB1
— это проекция вектора a
на
ось Ox.
Тогда,
на основании определения косинуса острого угла, мы можем записать, что проекция
вектора на ось равна модулю вектора, умноженному на косинус угла между вектором
и осью:
Это
правило справедливо при любых значениях угла φ. Например,
для углов, больше 90о, косинус угла φ отрицательный. Тогда по
формуле получается, что проекция вектора на ось также отрицательна, как и
должно быть по определению проекции.
—
А можно ли найти модуль и направление вектора по его проекциям на координатные
оси?
Чтобы
ответить на этот вопрос рассмотрим вектор, лежащий в плоскости xOy.
Вектор, лежащий в заданной плоскости, определяется двумя проекциями на оси
координат.
Обратим
внимание на важное свойство проекций: проекция суммы векторов на ось равна
сумме их проекций на эту ось.
Но
вернёмся к нашему прошлому уроку. На нём мы с вами говорили о том, что
положение тела, которое совершило некоторое перемещение, можно найти
графически. Для этого достаточно отложить вектор перемещения от начального
положения этого тела. Однако в большинстве случаев необходимо уметь вычислять
положение тела, то есть уметь определять его координаты. Давайте на примере
решения задачи посмотрим, как можно определить координату движущегося тела,
зная координату его начального положения и вектор перемещения.
Итак,
два поезда идут по параллельным путям в противоположных направлениях и
встречаются в шестидесяти километрах к востоку от железнодорожного вокзала.
Продолжив движение через некоторое время t первый поезд удалился от места
встречи на 50 километров в восточном направлении, а второй — на 80 километров в
западном. Определите координаты каждого поезда относительно вокзала и
расстояние между ними через промежуток времени t.
