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人教版高中數學必修第二冊第六章6.3.5平面向量數量積的坐標表示課件+學案

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人教版高中數學必修第二冊第六章6.3.5平面向量數量積的坐標表示課件+學案

資源簡介

6.3.5 平面向量數量積的坐標表示
[學習目標] 1.掌握平面向量數量積的坐標表示,會進行平面向量數量積的坐標運算.
2.能夠用兩個向量的坐標來解決與向量的模、夾角、垂直有關的問題.
[討論交流] 預習教材P34-P35的內容,思考以下問題:
問題1.平面向量數量積的坐標表示是什么?
問題2.如何用坐標表示向量的模、夾角和垂直?
[自我感知] 經過認真預習,結合你對本節課的理解和認識,請畫出本節課的知識邏輯體系.
探究1 平面向量數量積的坐標表示
探究問題1 設非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),你能用a,b的坐標表示a·b的值嗎?
[提示] 在平面直角坐標系中,設i,j分別是與x軸和y軸方向相同的兩個單位向量,則i·i=1,j·j=1,i·j=0.
∵a=x1i+y1j,b=x2i+y2j,
∴a·b=(x1i+y1j)·(x2i+y2j)
=x1x2i2+x1y2i·j+x2y1j·i+y1y2j2.
又∵i·i=1,j·j=1,i·j=j·i=0,
∴a·b=x1x2+y1y2.
[新知生成] 平面向量數量積的坐標表示
已知a=(x1,y1),b=(x2,y2),則a·b=x1x2+y1y2.
即兩個向量的數量積等于它們對應坐標的乘積的和.
[典例講評] 1.(1)已知向量a=(2,-1),b=(1,-1),則(a+2b)·(a-3b)=(  )
A.10   B.-10   C.3   D.-3
(2)如圖,已知正方形ABCD的邊長為2,E為CD的中點,F為AD的中點,求·的值.
(1)B [a+2b=(4,-3),a-3b=(-1,2),所以(a+2b)·(a-3b)=4×(-1)+(-3)×2=-10.
故選B.]
(2)[解] 以的方向分別為x,y軸正方向建立平面直角坐標系.
則A,B,F,E(1,2),
所以==,
所以·=1×+2×1=0.
[母題探究]本例(2)的條件“F為AD的中點”換成“點F在AD上,且=2”,求·的值.
[解] 建立平面直角坐標系如圖所示,由題意可知,
A,B,C,F,E,
所以=(-1,2),=,
所以·=(-1,2)·
=(-1)×(-2)+2×=.
 在解決平面幾何中的數量積的運算時,對于規則的圖形,一定要先建立恰當的平面直角坐標系,用向量的坐標法解決平面幾何中的數量積的問題.
[學以致用] 1.(1)若向量a=(1,1),b=(2,5),c=(3,x),滿足條件(8a-b)·c=24,則x等于(  )
A.6   B.2   C.4   D.3
(2)在△ABC中,∠ABC=90°,AB=2,D是邊BC上一動點,則·=________.
(1)B (2)4 [(1)由題意得8a-b=(6,3),c=(3,x),所以(8a-b)·c=18+3x=24,解得x=2.
(2)以B為原點,以的方向為x軸、y軸的正方向,建立平面直角坐標系,如圖.
則B(0,0),A(2,0),D(0,y).
所以=(-2,0),=(-2,y),
得·=(-2,0)·(-2,y)=4.]
【教用·備選題】
如圖,在矩形ABCD中,AB=,BC=2,點E為BC的中點,點F在邊CD上,若·=,則·的值是________.
 [以A為坐標原點,AB所在直線為x軸、AD所在直線為y軸建立平面直角坐標系,
則B(,0),D(0,2),C(,2),E(,1).
可設F(x,2),因為·=(,0)·(x,2)=x=.所以x=1,F(1,2).則=(1-,2),·=(,1)·(1-,2)=.]
探究2 向量模的坐標表示
探究問題2 若向量a=(x,y),向量a的模如何表示?若A(x1,y1),B(x2,y2), 的模如何表示?
[提示] 根據a2=a·a=x2+y2,所以==(x2-x1,y2-y1),
則||=.
[新知生成]
1.若a=(x,y),則|a|2=x2+y2,或|a|=.
2.如果表示向量a的有向線段的起點和終點的坐標分別為(x1,y1),(x2,y2),那么a=(x2-x1,y2-y1),|a|=.
[典例講評] 2.若向量a的始點為A(-2,4),終點為B(2,1),求:
(1)向量a的模;
(2)與a平行的單位向量的坐標;
(3)與a垂直的單位向量的坐標.
[解] (1)∵a==(2,1)-(-2,4)=(4,-3),∴|a|==5.
(2)與a平行的單位向量是±=±(4,-3),
即坐標為或.
(3)設與a垂直的單位向量為e=(m,n),則a·e=4m-3n=0,∴=.
又∵|e|=1,∴m2+n2=1,
解得 或
∴e=或e=.
 求向量模的方法
(1)利用公式|a|=求解;
(2)利用數量積求解;
(3)利用公式a2=|a|2求解.
[學以致用] 2.(1)(2023·北京高考)已知向量a,b滿足a+b=(2,3),a-b=(-2,1),則|a|2-|b|2=(  )
A.-2 B.-1
C.0 D.1
(2)已知點A(0,1),B(1,-2),向量=(4,-1),則||=________.
(1)B (2) [(1)∵a+b=(2,3),a-b=(-2,1),∴a=(0,2),b=(2,1),
∴|a|2-|b|2=4-5=-1.故選B.
(2)設C(x,y),因為點A(0,1),向量=(4,-1),所以=(x,y-1)=(4,-1),所以 解得x=4,y=0,所以C(4,0),
所以=(3,2),||==.]
探究3 平面向量的夾角、垂直問題
[新知生成]
設a,b都是非零向量,a=(x1,y1),b=(x2,y2),θ是a與b的夾角.
(1)cos θ==.
(2)a⊥b x1x2+y1y2=0.
【教用·微提醒】  (1)兩向量垂直與兩向量平行的坐標表示易混淆.
(2)兩向量夾角的余弦值大于0的夾角不一定是銳角,同樣余弦值小于0的夾角也不一定是鈍角.
【鏈接·教材例題】
例11 設a=(5,-7),b=(-6,-4),求a·b及a,b的夾角θ(精確到1°).
[解] a·b=5×(-6)+(-7)×(-4)
=-30+28
=-2.
因為|a|==,|b|==,所以用計算器計算可得
cos θ==≈-0.03.
利用計算工具可得θ≈92°.
[典例講評] 3.(源自湘教版教材)已知a=(3,1),b=,求k為何值時:
(1)a∥b
(2)a⊥b
(3)a與b的夾角為鈍角?
[解] (1)因為a∥b,
所以3k-1×=0,解得k=-.
(2)因為a⊥b,
所以3×+1×k=0,解得k=.
(3)因為<〈a,b〉<π,所以cos 〈a,b〉<0,
所以3×+1×k=-+k<0,
解得k<.
由(1)知,k=-時,a∥b,即a,b共線,此時〈a,b〉=π.
所以k<且k≠-時,a,b的夾角為鈍角.
 利用數量積的坐標表示求兩向量夾角的步驟
[學以致用] 3.(1)(2023·新高考Ⅰ卷)已知向量a=(1,1),b=(1,-1).若(a+λb)⊥(a+μb),則(  )
A.λ+μ=1 B.λ+μ=-1
C.λμ=1 D.λμ=-1
(2)已知a=(1,),b=(2,m),當a與b的夾角為120°時,則m=________.
(1)D (2)-2 [(1)因為a=(1,1),b=(1,-1),所以a+λb=(1+λ,1-λ),a+μb=(1+μ,1-μ),因為(a+λb)⊥(a+μb),所以(a+λb)·(a+μb)=0,所以(1+λ)·(1+μ)+(1-λ)(1-μ)=0,整理得λμ=-1.故選D.
(2)由題意得|a|=2,|b|=,a·b=2+m,
所以cos 120°===-,
整理得2+m+=0,
化簡得m2+2m=0,
解得m=-2或m=0(舍去).
所以m=-2.]
【鏈接·教材例題】
例10 若點A(1,2),B(2,3),C(-2,5),則△ABC是什么形狀?證明你的猜想.
[解] 如圖6.3-19,在平面直角坐標系中畫出點A,B,C,我們發現△ABC是直角三角形.證明如下.
因為=(2-1,3-2)=(1,1),
=(-2-1,5-2)=(-3,3),
所以·=1×(-3)+1×3=0.
于是⊥.
因此,△ABC是直角三角形.
例12 用向量方法證明兩角差的余弦公式
cos (α-β)=cos αcos β+sin αsin β.
[證明] 如圖6.3-20,在平面直角坐標系Oxy內作單位圓O,以x軸的非負半軸為始邊作角α,β,它們的終邊與單位圓O的交點分別為A,B.則=(cos α,sin α),=(cos β,sin β).
由向量數量積的坐標表示,有
·=cos αcos β+sin αsin β.
設與的夾角為θ,則
·=||||cos θ=cos θ.
所以cos θ=cos αcos β+sin αsin β.
另一方面,由圖6.3-20(1)可知,α=2kπ+β+θ;由圖6.3-20(2)可知,α=2kπ+β-θ.
于是α-β=2kπ±θ,k∈Z.
所以cos (α-β)=cos θ.
于是cos (α-β)=cos αcos β+sin αsin β.
【教用·備選題】 已知平面向量a=(3,4),b=(9,x),c=(4,y),且a∥b,a⊥c.
(1)求b與c;
(2)若m=2a-b,n=a+c,求向量m,n的夾角的大小.
[解] (1)因為a∥b,所以3x=4×9,即x=12.
因為a⊥c,所以3×4+4y=0,所以y=-3.
故b=(9,12),c=(4,-3).
(2)m=2a-b=(6,8)-(9,12)=(-3,-4),
n=a+c=(3,4)+(4,-3)=(7,1).
設m,n的夾角為θ,則cos θ=
===-.
因為θ∈[0,π],所以θ=,
即m,n的夾角為.
1.(2022·全國乙卷)已知向量a=(2,1),b=(-2,4),則=(  )
A.2 B.3
C.4 D.5
D [因為a-b=-=,
所以==5.
故選D.]
2.已知a=(3,4),b=(5,12),則a與b夾角的余弦值為(  )
A.
C.
A [|a|==5,|b|==13.
a·b=3×5+4×12=63.
設a與b的夾角為θ,所以cos θ==.]
3.設向量a=(2,x+1),b=(x-2,-1),若a⊥b,則x=(  )
A.5 B.2
C.1 D.0
A [∵向量a=(2,x+1),b=(x-2,-1),a⊥b,
∴a·b=0,可得2(x-2)+(x+1)×(-1)=0,
∴x=5.故選A.]
4.已知a=(1,2),b=(3,4),則a在b方向上的投影向量的坐標為________ .
 [由a=(1,2),b=(3,4),
得a在b方向上的投影向量為·=·=.]
1.知識鏈: (1)平面向量數量積的坐標表示.
(2)平面向量的模.
(3)平面向量的夾角、垂直問題.
2.方法鏈:轉化與化歸.
3.警示牌:注意不要記錯兩向量夾角的余弦公式.
回顧本節知識,自主完成以下問題:
已知非零向量a,b,a=(x1,y1),b=(x2,y2).
1.如何求向量a與b的夾角θ的余弦值cos θ?
[提示] cos θ=
=.
2.向量a與b的夾角θ的范圍與向量數量積的坐標運算的關系是什么?
[提示] (1)當θ為銳角或零角 x1x2+y1y2>0;
(2)當θ為直角 x1x2+y1y2=0;
(3)當θ為鈍角或平角 x1x2+y1y2<0.
向量的數量積與三角形的面積
在平面直角坐標系Oxy中,給定A(x1,y1),B(x2,y2),假設O,A,B不在同一條直線上,如圖1所示,你能用A,B的坐標表示出△OAB的面積嗎?
一般地,利用向量的數量積可以方便地求出△OAB的面積為
S=|x1y2-x2y1|.
事實上,如圖2所示,記t=||,a=(-y1,x1),則容易驗證,a是與垂直的單位向量.
圖2
過B作OA的垂線BC.因為a為單位向量,所以由向量數量積的幾何意義可知
||=|a·|,
因此,△OAB的面積為
S=||×||=||×|a·|
=t×
=|(-y1,x1)·(x2,y2)|
=|x1y2-x2y1|.
由此也可以看出,如圖3所示,如果A(x1,y1),B(x2,y2),而且O,A,B三點不共線,則以OA,OB為鄰邊的平行四邊形OACB的面積為
圖3
S=|x1y2-x2y1|.
由此,你體會到向量數量積的作用之大了嗎?
課時分層作業(十) 平面向量數量積的坐標表示
一、選擇題
1.(2024·新高考Ⅰ卷)已知向量a=(0,1),b=(2,x),若b⊥(b-4a),則x=(  )
A.-2 B.-1
C.1 D.2
D [因為b⊥(b-4a),所以b·(b-4a)=0,
所以b2-4a·b=0,即4+x2-4x=0,故x=2.
故選D.]
2.設平面向量a=(1,2),b=(-2,y),若a∥b,則|2a-b|等于(  )
A.4 B.5
C.3 D.4
D [由a∥b得y+4=0,∴y=-4,b=(-2,-4),
∴2a-b=(4,8),
∴|2a-b|=4.
故選D.]
3.與向量d=(12,5)平行的單位向量為(  )
A.
B.
C.或
D.或
C [與向量d=(12,5)平行的單位向量為±=±,即或.
故選C.]
4.向量b=在向量a=上的投影向量的坐標為(  )
A. B.
C. D.
B [b=在向量a=上的投影向量為==.故選B.]
5.(多選)設向量a=(-1,1),b=(0,2),則(  )
A.a·b=2 B.|a|=|b|
C.(a-b)⊥a D.(a-b)∥a
AC [對于A,因為a·b=·=2,所以A正確.
對于B,因為==,==2,所以|a|≠|b|.
對于C,a-b=-=,
因為(a-b)·a=·=×+×1=0,所以(a-b)⊥a.
對于D,由C可知(a-b)⊥a,所以D錯誤.
故選AC.]
二、填空題
6.已知平面向量a=,且a⊥b.寫出滿足條件的一個非零向量b= ________ .
(2,1)(答案不唯一,形如(2m,m)(m≠0)) [設b=(x,y),而向量a=,且a⊥b,因此x-2y=0,即x=2y,又b≠0,則令y=m≠0,
所以b=(2m,m)(m≠0),取m=1,得b=(2,1).]
7.設向量a=(m,1),b=(1,2),且|a+b|2=,則m=________.
-2 [法一:a+b=(m+1,3),
又|a+b|2=|a|2+|b|2,
∴(m+1)2+32=m2+1+5,解得m=-2.
法二:由|a+b|2=|a|2+|b|2,
得a·b=0,即m+2=0,解得m=-2.]
8.設向量a=(2,3),b=(6,t),若a與b的夾角為銳角,則實數t的取值范圍為________.
(-4,9)∪(9,+∞) [因為a與b的夾角為銳角,
所以a·b>0,且a與b不共線,
所以解得t>-4且t≠9,
所以實數t的取值范圍為(-4,9)∪(9,+∞).]
三、解答題
9.已知三點A(2,1),B(3,2),D(-1,4).
(1)求證:AB⊥AD;
(2)要使四邊形ABCD為矩形,求點C的坐標以及矩形ABCD兩對角線所夾銳角的余弦值.
[解] (1)證明:因為A(2,1),B(3,2),D(-1,4),=(1,1),=(-3,3),
所以·=1×(-3)+1×3=0,所以⊥,即AB⊥AD.
(2)因為⊥,四邊形ABCD為矩形,所以=,設點C的坐標為(x,y),則由=(1,1),=(x+1,y-4),
得 解得 所以點C的坐標為(0,5),從而=(-2,4),=(-4,2),且||=2,||=2·=8+8=16,
設與的夾角為θ,則cos θ===,所以矩形的兩對角線所夾銳角的余弦值為.
10.已知A(-2,1),B(6,-3),C(0,5),則△ABC的形狀是(  )
A.直角三角形 B.銳角三角形
C.鈍角三角形 D.等邊三角形
A [由題設知=(8,-4),=(2,4),=(-6,8),所以·=2×8+(-4)×4=0,即⊥.所以∠BAC=90°,故△ABC是直角三角形.]
11.(2023·全國甲卷)已知向量a=(3,1),b=(2,2),則cos 〈a+b,a-b〉=(  )
A.
C.
B [由題意知,a+b=(5,3),a-b=(1,-1),
所以cos 〈a+b,a-b〉====.故選B.]
12.(多選)已知向量a=(1,0),b=(cos θ,sin θ),θ∈,則|a+b|的值可以是(  )
A.
C.2 D.2
ABC [由題意,向量a=(1,0),b=(cos θ,sin θ),
可得|a|=1,|b|=1,a·b=cos θ,
則|a+b|==.
因為θ∈,所以cos θ∈[0,1],
所以∈[,2],即|a+b|∈[,2],故選項ABC符合題意.故選ABC.]
13.如圖所示,在矩形ABCD中,AB=,BC=2,點E在邊CD上,且=2,則·的值是________.
 [以A為原點,AB,AD所在直線為x軸、y軸建立如圖所示的平面直角坐標系.
∵AB=,BC=2,
∴A(0,0),B(,0),C(,2),D(0,2),
∵點E在邊CD上,
且=2,∴E.
∴==,
∴·=-+4=.]
14.(源自湘教版教材)如圖,已知點O為平面直角坐標系的原點,點A的坐標為(4,3),點B的坐標為(-1,6),作BD⊥OA,垂足為點D.
(1)求,,;
(2)求cos ∠AOB;
(3)求S△OAB.
[解] (1)===5,===,由于=-=,所以===.
(2)·=·=-4+18=14,
故cos ∠AOB===.
(3)由(2)得cos ∠AOB=,
所以OD=OB·cos ∠AOB=×=,
由勾股定理得,BD===,
所以S△OAB=BD·OA=××5=.
15.已知定點A和向量,點P是直線AB外的一點,請寫出點P到直線AB的距離的向量表示.
[解] 設n⊥,作向量(如圖).
則表示向量在向量n上的投影向量,是點P到直線AB的距離.
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6.3.5 平面向量數量積的坐標表示
第六章 平面向量及其
6.3 平面向量基本定理及坐標表示
整體感知
[學習目標] 1.掌握平面向量數量積的坐標表示,會進行平面向量數量積的坐標運算.
2.能夠用兩個向量的坐標來解決與向量的模、夾角、垂直有關的問題.
[討論交流] 預習教材P34-P35的內容,思考以下問題:
問題1.平面向量數量積的坐標表示是什么?
問題2.如何用坐標表示向量的模、夾角和垂直?
[自我感知] 經過認真預習,結合你對本節課的理解和認識,請畫出本節課的知識邏輯體系.
探究建構
探究1 平面向量數量積的坐標表示
探究問題1 設非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),你能用a,b的坐標表示a·b的值嗎?
[提示] 在平面直角坐標系中,設i,j分別是與x軸和y軸方向相同的兩個單位向量,則i·i=1,j·j=1,i·j=0.
∵a=x1i+y1 j,b=x2i+y2 j,
∴a·b=(x1i+y1j)·(x2i+y2j)
=x1x2i 2+x1y2i·j+x2y1 j·i+y1y2 j2.
又∵i·i=1,j·j=1,i·j=j·i=0,
∴a·b=x1x2+y1y2.
[新知生成] 平面向量數量積的坐標表示
已知a=(x1,y1),b=(x2,y2),則a·b=___________.
即兩個向量的數量積等于它們對應坐標的________.
x1x2+y1y2
乘積的和

反思領悟 在解決平面幾何中的數量積的運算時,對于規則的圖形,一定要先建立恰當的平面直角坐標系,用向量的坐標法解決平面幾何中的數量積的問題.

4
4

4
x2+y2
(x2-x1,y2-y1)
[典例講評] 2.若向量a的始點為A(-2,4),終點為B(2,1),求:
(1)向量a的模;
(2)與a平行的單位向量的坐標;
(3)與a垂直的單位向量的坐標.


x1x2+y1y2=0
【教用·微提醒】  (1)兩向量垂直與兩向量平行的坐標表示易混淆.
(2)兩向量夾角的余弦值大于0的夾角不一定是銳角,同樣余弦值小于0的夾角也不一定是鈍角.
4
【鏈接·教材例題】
例11 設a=(5,-7),b=(-6,-4),求a·b及a,b的夾角θ(精確到1°).
反思領悟 利用數量積的坐標表示求兩向量夾角的步驟

【鏈接·教材例題】
例10 若點A(1,2),B(2,3),C(-2,5),則△ABC是什么形狀?證明你的猜想.
例12 用向量方法證明兩角差的余弦公式
cos (α-β)=cos αcos β+sin αsin β.
另一方面,由圖6.3-20(1)可知,α=2kπ+β+θ;由圖6.3-20(2)可知,α=2kπ+β-θ.
于是α-β=2kπ±θ,k∈Z.
所以cos (α-β)=cos θ.
于是cos (α-β)=cos αcos β+sin αsin β.
【教用·備選題】 已知平面向量a=(3,4),b=(9,x),c=(4,y),且a∥b,a⊥c.
(1)求b與c;
(2)若m=2a-b,n=a+c,求向量m,n的夾角的大小.
[解] (1)因為a∥b,所以3x=4×9,即x=12.
因為a⊥c,所以3×4+4y=0,所以y=-3.
故b=(9,12),c=(4,-3).
4
4
2
4
3
題號
1
應用遷移

2
3
題號
1
4

2
3
題號
4
1
3.設向量a=(2,x+1),b=(x-2,-1),若a⊥b,則x=(  )
A.5 B.2
C.1 D.0

A [∵向量a=(2,x+1),b=(x-2,-1),a⊥b,
∴a·b=0,可得2(x-2)+(x+1)×(-1)=0,
∴x=5.故選A.]
2
4
3
題號
1
4.已知a=(1,2),b=(3,4),則a在b方向上的投影向量的坐標為__________ .

1.知識鏈: (1)平面向量數量積的坐標表示.
(2)平面向量的模.
(3)平面向量的夾角、垂直問題.
2.方法鏈:轉化與化歸.
3.警示牌:注意不要記錯兩向量夾角的余弦公式.
回顧本節知識,自主完成以下問題:
已知非零向量a,b,a=(x1,y1),b=(x2,y2).
1.如何求向量a與b的夾角θ的余弦值cos θ?
2.向量a與b的夾角θ的范圍與向量數量積的坐標運算的關系是什么?
[提示] (1)當θ為銳角或零角 x1x2+y1y2>0;
(2)當θ為直角 x1x2+y1y2=0;
(3)當θ為鈍角或平角 x1x2+y1y2<0.
閱讀材料
圖2
由此也可以看出,如圖3所示,如果A(x1,y1),B(x2,y2),而且O,A,B三點不共線,則以OA,OB為鄰邊的平行四邊形OACB的面積為
S=|x1y2-x2y1|.
由此,你體會到向量數量積的作用之大了嗎?
圖3

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