2014年第53卷第9期数学通报
41
平面向量数量积的几何解释
朱胜强
(南京外国语学校
210008)
所以所以
g・(n+6)一g・a+C・b,(口+6)・C—a・c+b・c.
现行其它版本的课标教材,有关向量数量积的几何意义及分配律的证明,也基本上采用类似的方法.但教学中发现,数量积的几何意义其“几何味”不是很浓.
名义上为几何意义,但指的却是两个数的乘积.虽然向量a的长度I口I与b在a的方向上的投影都可以从图上看出来,但它们的积并未通过几何直观呈现.而“长度”与“投影”积的大小如何,与两个向量的模及两个向量的方向有何关系,更是无从知晓.因此,它对于学生认识向量的数量积并没能起到明显作用.
图1
此外,解释向量数量积的几何意义需要涉及有向线段的数量等概念.向量、有向线段、有向线段的数量、向量的投影等概念集中在一起,学生很容易混淆.虽然前面曾用单位圆中的三角函数线表示数量,但教学中只是一带而过,学生对其与向量等概念之间的区别与联系并不十分清楚.
向量的数量积有没有较直观的几何解释呢?笔者在教学中曾对此进行了探索,下面谈~谈自
由此可知a・b的几何意义是:数量积a・b等于a的长度laI与b在a的方向上的投影Ibl・cos0的乘积.
运用数量积的几何意义,数量积对向量加法运算分配律可有如下说明:
如图2,任取一点O,作o-?t—a,蕊一b,茄
3C,
A
己的一点想法,供大家参考.
1
向量数量积的几何解释
设有非零向量a,b.在平面内任取一点0,作
蕊一口,商=b.将线段OA绕点。按逆时针方
向旋转90。,得线段OA7.则瓦矿与萌的模相等,
且互相垂直.
设向量a,b的夹角为口.
当0。<0<90。时,么BOA7—90。一日;或么BoA7—90。+汐.
总有cos0一sin(90。--0)=sin(90。+咿)
所以
cln+61COS0=IC
a
一sinLBOA
7.
cos01+lclbI
cos02,
故a・b=I口IbI
cos0
42
数学通报
2014年第53卷第9期
一lOBI・J
OA
7
sinLBOA7一S口∞B,A,.
此时,a・b表示平行四边形OBB7A7的面积(如
图3(1)(2)).
当0—90。时,么BoA7—90。一0—0。,或么BOA7=90。+口一180。,总有
cos90。一0一sin么BOA
7.
故a・b—IabI
cos90。
一l0BI・I
OA
7
sin么BOA7.
此时,平行四边形OBB7A7好像被“压扇”成一条
线段,面积变为0.
当90。<0<180。时,么BoA7—0—90。或
么.80A7=270。一0,
总有cos0一一sin(口一90。)=一sin(270。--0)
=一sin么BOA
7.
故a・b—fabI
COS
0
=一lOBl.10A7sin么BOA7一--S口OBB'A,
此时,a・b表示平行四边形OBB7A7面积的相反数.(如图3(3)(4)).
(1)
(2)
口
8
也
爿一
(3)
(4)
图3
为了让平行四边形OBB7A7也能表示负数,此处引入平行四边形“0到B的面积”这一说法.将平行四边形OBB7A7及其内部看成是由线段
OA7按向量O百方向平移至BB7所形成的平面
图形.
若硒与0万的夹角小于90。,平行四边形
OBB’A“‘0到B的面积”为正数,大小等于平行四边形OBB7A7的面积;
若0百与0万的夹角大于90。,平行四边形
OBB7A“‘0到B的面积”为负数,其绝对值等于
平行四边形OBB7A7的面积.
若碡与o--X成90。角,平行四边形OBB7A7变
成了线段,记“o到B的面积”为0.
因此,a・b就是平行四边形OBB7A7的“0到
B的面积”.
观察发现,若O刀为向上方向,则当日<90。时,平行四边形OBB7A7在OA7的右侧,为蕊所指的一侧i当日>90。时,平行四边形OBB7A7在
OA7的左侧,非O万所指的一侧.因此,“0到B的
面积”的正负可由其在线段OA7的哪一侧直观地看出.
其实,上述几何解释与教材介绍的方法本质上是一致的.如图4,过B向直线OA引垂线,垂足记为B。.线段OB,为平行四边形OBB7A7的高.又loA7}=In},所以
B
/
彳
B
图4
当0<90。时,a・6一IaI・(f一l回lf
bl
cos0)
OBl
1一S口0BB…;
当0>90。时,a・6一Iabcos0)
一一I确l
I・(I
OB,I
2一SaOBB—A,.
2帮学生直观感知向量的数量积
教学中,借助向量数量积的几何解释,可让学生直观地感知向量a,b的变化对n・b的影响.
若lal,1
b
I固定不变,仅改变a,b的夹角,则
可发现0对平行四边形的面积及其所处的位置的影响.
当0由o。开始逐渐增大时,平行四边形的面积逐渐减小;当日一90。时,面积变为0,当0继续增大,平行四边形的面积虽然增大,但因其位于OA
7
的左侧,此时“O到B的面积”为负数,表明数量积为负且在减小.而当日一180。时,数量积达到最小值(如图5).
2014年第j3卷第9期
B’6
数学通报
配律.
4
爿’
43
∥4
,之,,,
.!.
’、
B’
。{,4,,’2
,,
一点.
O
!
k
()
,,
一,,
如图,作蕊一a,商一b,葡一c.将线段OA
绕点0按逆时针方向旋转90。得线段OA7.以
、、
、
’
i
/7
.翻
’’、
OA7,OB为邻边作平行四边形OBB7A
7.作葡一
A
’、
,’。4
一、罗p
B、,2:
’●,,
,,爿
,,
a,则BB7可以看成线段BD绕点B按逆时针方向旋转90。而得.以BB7,BC为邻边作平行四边形
BCC7B
7.
、--2
●-●
、、2
图5
若固定口与Inl,变化{bf,则可发现f化对数量积的影响.
b
j的变
当lb1增大时,平行四边形OBB7A7的各个内角大小均未变化,OA7及其对边BB7也未改变.而边OB与其对边A7B7随着IbI的变化而同步变化(如图6).这表明,当l
b
J变化时,数量积的符号不
图8
变,绝对值的大小发生变化.
蔓基挺
越盘滥塾
由图可知,平行四边形OCC7A7的“O到C的面积”等于平行四边形OBB7A7的“o到B的面积”与平行四边形BCC7的和.
又平行四边形BCC7B7的“B到C的面积”为
口‘C:
B
7的“B到C的面积”
平行四边形OBB7A7的“0到B的面积”为
口・b;
平行四边形OCC7A7的“0到C的面积”为
n・(b+c).
所以a・b+a・c—a・(b+c).
通过平行四边形来观察“面积和”,比在一条直线上观察有向线段的数量和显得更清晰.如果在几何画板中改变B,C的位置,引导学生观察比较,可让学生更易于在图形变化中发现一般规律.
如果将三个平行四边形投影到直线OA上,也就得到了教材中的说法.
4计算坐标平面中平行四边形或三角形的面积
换一个角度看,平行四边形的面积也可以转化为向量的数量积.
例
已知△OAB中,A(z。,Y1),B(z2,Y:),
试求△0AB的面积.
解将向量碚按顺时针方向旋转角90。,得
向量魂7,其坐标为(y:,一z:).以OA,OB为邻边
作平行四边形OACB,则其“0到A的面积”即为
薇・碡7.
(下转第57页)
2014年第53卷第9期数学通报
57
的思维和单一的模式,想当然地认为函数图象是想服务的.这就回答了关于调研中老师们比较困对称的.
惑的“是否超前学习有利于中考”这一问题.
表l选项比例分布表
类似地,对于例2的疑惑也就迎刃而解,试题I是站位于“平行四边形”,利用平行四边形的性质
I
选项
A
BC
D
l
等逐步发展到了四边形ABED,并提出了相关的
比例
O.28
O.25
O.25
0.22
问题;而不是直接站在了“所谓的梯形”上设置相表2
G4一G7人数分布表
关问题.
G4
G5G6
G7结束语笔者写此文的目的之一是想与广大一线教师交流一下命题人员思考问题的角度,使A
1863
2839
4863
8674
●
教学一线与命题实现良性的互动,互相补充;另B
3231
2668
2103
1091
外,通过对试题的分析,打破一些在教学过程当中C3560
393733341657
出现的一些问题,例如过于注重技能化训练,让大D
341226261769655
家不再是“只低头拉车,不抬头看路”.这就是笔者写此文的初衷,不妥之处请指正!
另外,有25%的考生选择了C选项.通过表2可以发现,中间分数段的考生选C者居多,这说
参考文献
/
厅、
,
耳、
1
中华人民共和国教育部.义务教育数学课程标准(2011年版)明在描述、分析点(1,掣)和(捂,掣)的位置时出
、
吐7
、
4
7
[M].北京:北京师范大学出版社,2012
现错误或者位置分析正确,但在把所描出的点用2中华人民共和国教育部.义务教育数学课程标准(实验稿)
[M].北京:北京师范大学出版社,2001
平滑曲线连接起来时出现错误.
3教育部基础教育课程教材专家工作委员会.义务教育数学课
通过对例1进行立体化地剖析不难发现,试程标准(2011年版)解读[M].北京:北京师范大学出版
题的命制并不是以“知识”为主,而是以“能力”为社,2012
核心,站位于学生全面发展的角度进行考查,素材4北京教育考试院.北京市高级中等学校招生考试考试说明
的选择、背景的设置和考查内容都是为能力与思I-M].北京:北京理工大学出版社,2012
(上接第43页)
-Y
C
参考文献
1单鳟.苏教版普通高中数学课程标准实验教科书・数学4(必
修)[M].南京:江苏教育出版社,2012,6
2人民教育出版社,课程教材研究所,中学数学课程教材研究开
D
\曰,贾
.圈发中心.普通高中课程标准实验教科书・数学4(必修)A版[M].北京:人民教育出版社,2004,10
图9
3人民教育出版社,课程材研究所,中学数学教材实验研究组.
普通高中课程标准实验教科书・数学4(必修)B版[M].北又蕊・o-/}7一z。Y。--X:y。,
京;人民教育出版社,2004,10
故有2Is△0A。l—Io--玄・碡7l—IxlY。一z:Y。1.
4严士健,王尚志.普通高中课程标准实验教科书(必修)数学4
1
[M].北京:北京师范大学出版社,2004,7
所以S△m口=÷JzlY2--.T2y1J.
5张景中,黄楚芳.普通高中课程标准实验教科书(必修)数学
教师不仅是课程的实施者,而且也是课程的第二册[M].长沙:湖南教育出版社,2010,8
6国家数学课程标准研制工作组.普通高中数学课程标准(实
研究、建设和资源开发的重要力量.在教材面前,验)[s].北京:人民教育出版社,2003,4
教师并非始终是被动的接受者.需要在准确把握数学内容本质的情况下,创造性地使用教材,让内容的呈现方式更符合学生的认知特点,便于学生参与到知识的形成过程中来.
平面向量数量积的几何解释
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
朱胜强
南京外国语学校 210008
数学通报
Bulletin des Sciences Mathematics2014,53(9)
1. 单墫 苏教版普通高中数学课程标准实验教科书·数学4(必修) 2012
2. 人民教育出版社;课程教材研究所;中学数学课程教材研究开发中心 普通高中课程标准实验教科书·数学4(必修)A版 20043. 人民教育出版社;课程材研究所;中学数学教材实验研究组 普通高中课程标准实验教科书·数学4(必修)B版 20044. 严士健;王尚志 普通高中课程标准实验教科书(必修)数学4 20045. 张景中;黄楚芳 普通高中课程标准实验教科书(必修)数学第二册 20106. 国家数学课程标准研制工作组 普通高中数学课程标准(实验) 2003
引用本文格式:朱胜强 平面向量数量积的几何解释[期刊论文]-数学通报 2014(9)
2014年第53卷第9期数学通报
41
平面向量数量积的几何解释
朱胜强
(南京外国语学校
210008)
所以所以
g・(n+6)一g・a+C・b,(口+6)・C—a・c+b・c.
现行其它版本的课标教材,有关向量数量积的几何意义及分配律的证明,也基本上采用类似的方法.但教学中发现,数量积的几何意义其“几何味”不是很浓.
名义上为几何意义,但指的却是两个数的乘积.虽然向量a的长度I口I与b在a的方向上的投影都可以从图上看出来,但它们的积并未通过几何直观呈现.而“长度”与“投影”积的大小如何,与两个向量的模及两个向量的方向有何关系,更是无从知晓.因此,它对于学生认识向量的数量积并没能起到明显作用.
图1
此外,解释向量数量积的几何意义需要涉及有向线段的数量等概念.向量、有向线段、有向线段的数量、向量的投影等概念集中在一起,学生很容易混淆.虽然前面曾用单位圆中的三角函数线表示数量,但教学中只是一带而过,学生对其与向量等概念之间的区别与联系并不十分清楚.
向量的数量积有没有较直观的几何解释呢?笔者在教学中曾对此进行了探索,下面谈~谈自
由此可知a・b的几何意义是:数量积a・b等于a的长度laI与b在a的方向上的投影Ibl・cos0的乘积.
运用数量积的几何意义,数量积对向量加法运算分配律可有如下说明:
如图2,任取一点O,作o-?t—a,蕊一b,茄
3C,
A
己的一点想法,供大家参考.
1
向量数量积的几何解释
设有非零向量a,b.在平面内任取一点0,作
蕊一口,商=b.将线段OA绕点。按逆时针方
向旋转90。,得线段OA7.则瓦矿与萌的模相等,
且互相垂直.
设向量a,b的夹角为口.
当0。<0<90。时,么BOA7—90。一日;或么BoA7—90。+汐.
总有cos0一sin(90。--0)=sin(90。+咿)
所以
cln+61COS0=IC
a
一sinLBOA
7.
cos01+lclbI
cos02,
故a・b=I口IbI
cos0
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数学通报
2014年第53卷第9期
一lOBI・J
OA
7
sinLBOA7一S口∞B,A,.
此时,a・b表示平行四边形OBB7A7的面积(如
图3(1)(2)).
当0—90。时,么BoA7—90。一0—0。,或么BOA7=90。+口一180。,总有
cos90。一0一sin么BOA
7.
故a・b—IabI
cos90。
一l0BI・I
OA
7
sin么BOA7.
此时,平行四边形OBB7A7好像被“压扇”成一条
线段,面积变为0.
当90。<0<180。时,么BoA7—0—90。或
么.80A7=270。一0,
总有cos0一一sin(口一90。)=一sin(270。--0)
=一sin么BOA
7.
故a・b—fabI
COS
0
=一lOBl.10A7sin么BOA7一--S口OBB'A,
此时,a・b表示平行四边形OBB7A7面积的相反数.(如图3(3)(4)).
(1)
(2)
口
8
也
爿一
(3)
(4)
图3
为了让平行四边形OBB7A7也能表示负数,此处引入平行四边形“0到B的面积”这一说法.将平行四边形OBB7A7及其内部看成是由线段
OA7按向量O百方向平移至BB7所形成的平面
图形.
若硒与0万的夹角小于90。,平行四边形
OBB’A“‘0到B的面积”为正数,大小等于平行四边形OBB7A7的面积;
若0百与0万的夹角大于90。,平行四边形
OBB7A“‘0到B的面积”为负数,其绝对值等于
平行四边形OBB7A7的面积.
若碡与o--X成90。角,平行四边形OBB7A7变
成了线段,记“o到B的面积”为0.
因此,a・b就是平行四边形OBB7A7的“0到
B的面积”.
观察发现,若O刀为向上方向,则当日<90。时,平行四边形OBB7A7在OA7的右侧,为蕊所指的一侧i当日>90。时,平行四边形OBB7A7在
OA7的左侧,非O万所指的一侧.因此,“0到B的
面积”的正负可由其在线段OA7的哪一侧直观地看出.
其实,上述几何解释与教材介绍的方法本质上是一致的.如图4,过B向直线OA引垂线,垂足记为B。.线段OB,为平行四边形OBB7A7的高.又loA7}=In},所以
B
/
彳
B
图4
当0<90。时,a・6一IaI・(f一l回lf
bl
cos0)
OBl
1一S口0BB…;
当0>90。时,a・6一Iabcos0)
一一I确l
I・(I
OB,I
2一SaOBB—A,.
2帮学生直观感知向量的数量积
教学中,借助向量数量积的几何解释,可让学生直观地感知向量a,b的变化对n・b的影响.
若lal,1
b
I固定不变,仅改变a,b的夹角,则
可发现0对平行四边形的面积及其所处的位置的影响.
当0由o。开始逐渐增大时,平行四边形的面积逐渐减小;当日一90。时,面积变为0,当0继续增大,平行四边形的面积虽然增大,但因其位于OA
7
的左侧,此时“O到B的面积”为负数,表明数量积为负且在减小.而当日一180。时,数量积达到最小值(如图5).
2014年第j3卷第9期
B’6
数学通报
配律.
4
爿’
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∥4
,之,,,
.!.
’、
B’
。{,4,,’2
,,
一点.
O
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k
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如图,作蕊一a,商一b,葡一c.将线段OA
绕点0按逆时针方向旋转90。得线段OA7.以
、、
、
’
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/7
.翻
’’、
OA7,OB为邻边作平行四边形OBB7A
7.作葡一
A
’、
,’。4
一、罗p
B、,2:
’●,,
,,爿
,,
a,则BB7可以看成线段BD绕点B按逆时针方向旋转90。而得.以BB7,BC为邻边作平行四边形
BCC7B
7.
、--2
●-●
、、2
图5
若固定口与Inl,变化{bf,则可发现f化对数量积的影响.
b
j的变
当lb1增大时,平行四边形OBB7A7的各个内角大小均未变化,OA7及其对边BB7也未改变.而边OB与其对边A7B7随着IbI的变化而同步变化(如图6).这表明,当l
b
J变化时,数量积的符号不
图8
变,绝对值的大小发生变化.
蔓基挺
越盘滥塾
由图可知,平行四边形OCC7A7的“O到C的面积”等于平行四边形OBB7A7的“o到B的面积”与平行四边形BCC7的和.
又平行四边形BCC7B7的“B到C的面积”为
口‘C:
B
7的“B到C的面积”
平行四边形OBB7A7的“0到B的面积”为
口・b;
平行四边形OCC7A7的“0到C的面积”为
n・(b+c).
所以a・b+a・c—a・(b+c).
通过平行四边形来观察“面积和”,比在一条直线上观察有向线段的数量和显得更清晰.如果在几何画板中改变B,C的位置,引导学生观察比较,可让学生更易于在图形变化中发现一般规律.
如果将三个平行四边形投影到直线OA上,也就得到了教材中的说法.
4计算坐标平面中平行四边形或三角形的面积
换一个角度看,平行四边形的面积也可以转化为向量的数量积.
例
已知△OAB中,A(z。,Y1),B(z2,Y:),
试求△0AB的面积.
解将向量碚按顺时针方向旋转角90。,得
向量魂7,其坐标为(y:,一z:).以OA,OB为邻边
作平行四边形OACB,则其“0到A的面积”即为
薇・碡7.
(下转第57页)
2014年第53卷第9期数学通报
57
的思维和单一的模式,想当然地认为函数图象是想服务的.这就回答了关于调研中老师们比较困对称的.
惑的“是否超前学习有利于中考”这一问题.
表l选项比例分布表
类似地,对于例2的疑惑也就迎刃而解,试题I是站位于“平行四边形”,利用平行四边形的性质
I
选项
A
BC
D
l
等逐步发展到了四边形ABED,并提出了相关的
比例
O.28
O.25
O.25
0.22
问题;而不是直接站在了“所谓的梯形”上设置相表2
G4一G7人数分布表
关问题.
G4
G5G6
G7结束语笔者写此文的目的之一是想与广大一线教师交流一下命题人员思考问题的角度,使A
1863
2839
4863
8674
●
教学一线与命题实现良性的互动,互相补充;另B
3231
2668
2103
1091
外,通过对试题的分析,打破一些在教学过程当中C3560
393733341657
出现的一些问题,例如过于注重技能化训练,让大D
341226261769655
家不再是“只低头拉车,不抬头看路”.这就是笔者写此文的初衷,不妥之处请指正!
另外,有25%的考生选择了C选项.通过表2可以发现,中间分数段的考生选C者居多,这说
参考文献
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厅、
,
耳、
1
中华人民共和国教育部.义务教育数学课程标准(2011年版)明在描述、分析点(1,掣)和(捂,掣)的位置时出
、
吐7
、
4
7
[M].北京:北京师范大学出版社,2012
现错误或者位置分析正确,但在把所描出的点用2中华人民共和国教育部.义务教育数学课程标准(实验稿)
[M].北京:北京师范大学出版社,2001
平滑曲线连接起来时出现错误.
3教育部基础教育课程教材专家工作委员会.义务教育数学课
通过对例1进行立体化地剖析不难发现,试程标准(2011年版)解读[M].北京:北京师范大学出版
题的命制并不是以“知识”为主,而是以“能力”为社,2012
核心,站位于学生全面发展的角度进行考查,素材4北京教育考试院.北京市高级中等学校招生考试考试说明
的选择、背景的设置和考查内容都是为能力与思I-M].北京:北京理工大学出版社,2012
(上接第43页)
-Y
C
参考文献
1单鳟.苏教版普通高中数学课程标准实验教科书・数学4(必
修)[M].南京:江苏教育出版社,2012,6
2人民教育出版社,课程教材研究所,中学数学课程教材研究开
D
\曰,贾
.圈发中心.普通高中课程标准实验教科书・数学4(必修)A版[M].北京:人民教育出版社,2004,10
图9
3人民教育出版社,课程材研究所,中学数学教材实验研究组.
普通高中课程标准实验教科书・数学4(必修)B版[M].北又蕊・o-/}7一z。Y。--X:y。,
京;人民教育出版社,2004,10
故有2Is△0A。l—Io--玄・碡7l—IxlY。一z:Y。1.
4严士健,王尚志.普通高中课程标准实验教科书(必修)数学4
1
[M].北京:北京师范大学出版社,2004,7
所以S△m口=÷JzlY2--.T2y1J.
5张景中,黄楚芳.普通高中课程标准实验教科书(必修)数学
教师不仅是课程的实施者,而且也是课程的第二册[M].长沙:湖南教育出版社,2010,8
6国家数学课程标准研制工作组.普通高中数学课程标准(实
研究、建设和资源开发的重要力量.在教材面前,验)[s].北京:人民教育出版社,2003,4
教师并非始终是被动的接受者.需要在准确把握数学内容本质的情况下,创造性地使用教材,让内容的呈现方式更符合学生的认知特点,便于学生参与到知识的形成过程中来.
平面向量数量积的几何解释
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
朱胜强
南京外国语学校 210008
数学通报
Bulletin des Sciences Mathematics2014,53(9)
1. 单墫 苏教版普通高中数学课程标准实验教科书·数学4(必修) 2012
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引用本文格式:朱胜强 平面向量数量积的几何解释[期刊论文]-数学通报 2014(9)