8.1.1向量数量积的概念 学案（Word版含答案）
文档属性
| 名称 | 8.1.1向量数量积的概念 学案（Word版含答案） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 52.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教B版（2019） | ||
| 科目 | 数学 | ||
| 更新时间 | 2022-05-19 13:00:58 | ||
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文档简介
向量数量积的概念
学习目标 核心素养
1．理解平面向量数量积的含义及其物理意义。（难点） 2．体会平面向量的数量积与向量射影的关系。（重点）3．掌握数量积的运算性质，并会利用其性质解决有关长度、夹角、垂直等问题。（重点） 1．通过向量的夹角、向量数量积概念的学习，培养学生的数学抽象核心素养。 2．通过向量数量积的应用，培养学生的数学运算核心素养。
【学习过程】
一、新知初探
1．向量的夹角
定义 已知两个非零向量a和b，作＝a，＝b，则∠AOB＝θ叫做向量a与b的夹角。
范围 0°≤θ≤180°
特例 θ＝0° a与b同向
θ＝180° a与b反向
θ＝90° a与b垂直，记作a ⊥ b，规定零向量可与任一向量垂直
2．向量的数量积
向量在轴上的投影。已知向量a和轴l，如图。
（1）投影的概念：作＝a，过点O，A分别作轴l的垂线，垂足分别为O1，A1，则向量叫做向量a在轴l上的投影（简称射影）；
（2）投影的数量：该射影在轴l上的坐标，称作a在轴l上的数量或在轴l的方向上的数量。＝a在轴l上投影的坐标记作al，向量a的方向与轴l的正向所成的角为θ，则由三角函数中的余弦定义有al＝|a| cos θ。
3．平面向量数量积的定义
|a||b| cos〈a，b〉叫做向量a和b的数量积，记作|a||b| cos〈a，b〉。
4．数量积的性质
（1）若e是单位向量，则e·a＝a·e＝|a| cos〈a·e〉。
思考1：向量的数量积与数乘向量的区别是什么？
【提示】向量的数量积a·b是一个实数，不考虑方向；数乘向量λa是一个向量，既有大小，又有方向，这是二者的区别。
（2）若a ⊥ b，则a·b＝0；反之，若a·b＝0，则a⊥ b，通常记作a⊥ b a·b＝0.
思考2：a·b＝0与ab＝0的区别是什么？
【提示】（1）意义和表达方式不同。
a·b表示两个向量的数量积，中间的“·”不能省略，也不能写成“×”。
（2）推出的结果不同。由a·b＝0可推出以下四种可能
①a＝0，b＝0，②a＝0，b≠0，③a≠0，b＝0，④a≠0，b≠0，但a ⊥ B．而ab＝0可推出a与b中至少有一个为0.
（3）|a|＝。
（4）cos θ＝。（|a|·|b|≠0）
（5）对任意两个向量a，b，有|a·b|≤|a||b|。当且仅当a ∥ b 时等号成立。
二、初试身手
1．已知|a|＝3，向量a与b的夹角为，则a在b方向上的投影为（ ）。
A． B．
C． D．
2．在△ABC中，＝a，＝b，且b·a＝0，则△ABC是（ ）。
A．锐角三角形 B．钝角三角形
C．直角三角形 D．无法确定
3．如图，在△ABC中，，的夹角与，的夹角的关系为________。
三、合作探究
类型一：与向量数量积有关的概念
【例1】（1）以下四种说法中正确的是________。（填序号）
①如果a·b＝0，则a＝0或b＝0；
②如果向量a与b满足a·b<0，则a与b所成的角为钝角；
③△ABC中，如果·＝0，那么△ABC为直角三角形；
④如果向量a与b是两个单位向量，则a2＝b2
（2）已知|a|＝3，|b|＝5，且a·b＝－12，则a在b方向上的投影的数量为________，b在a方向上的投影的数量为________。
（3）已知等腰△ABC的底边BC长为4，则·＝________。
[思路探究]根据数量积的定义、性质、运算律及投影的定义解答。
类型二：数量积的基本运算
【例2】已知|a|＝4，|b|＝5，当（1）a ∥ b；（2）a ⊥ b；（3）a与b的夹角为135°时，分别求a与b的数量积。
[思路探究]（1）当a ∥ b时，a与b夹角可能为0°或180°。（2）当a ⊥ b时，a与b夹角为90°。（3）若a与b夹角及模已知时可利用a·b＝|a|·|b| cos θ（θ为a，b夹角）求值。
类型三：与向量模有关的问题
【例3】已知x＝1是方程x2＋|a|x＋a·b＝0的根，且a2＝4，a与b的夹角为120°。求向量b的模。
1．（变结论）本例题设条件不变，求b在a方向上的射影的数量。
【解】由例题解析可知|b|＝3．
因为|b| cos〈a，b〉＝3×cos 120°＝－。
所以b在a方向上的射影的数量为－。
2．（变条件）将本例中“a与b的夹角θ为120°”改为“|a·b|＝3”。如何求a与b的夹角θ？
【解】易求|a|＝2，|b|＝3．
因为a·b＝|a||b| cos θ，
所以|a·b|＝|a||b||cos θ|＝3，
所以|cos θ|＝，故cos θ＝±。
又因为θ∈[0，π]，所以θ＝或。
类型四：平面向量数量积的性质
[探究问题]
1．设a与b都是非零向量，若a ⊥ b，则a·b等于多少？反之成立吗？
【提示】a⊥ b a·b＝0.
2．当a与b同向时，a·b等于什么？当a与b反向时，a·b等于什么？特别地，a·a等于什么？
【提示】当a与b同向时，a·b＝|a||b|；当a与b反向时，a·b＝－|a||b|；a·a＝a2＝|a|2或|a|＝。
3．|a·b|与|a||b|的大小关系如何？为什么？对于向量a，b，如何求它们的夹角θ？
【提示】|a·b|≤|a||b|，设a与b的夹角为θ，则a·b＝|a||b|cos θ。
两边取绝对值得：
|a·b|＝|a||b||cos θ|≤|a||b|。
当且仅当|cos θ|＝1，
即cos θ＝±1，θ＝0或π时，取“＝”，
所以|a·b|≤|a||b|，cos θ＝。
【例4】已知|a|＝3，|b|＝2，向量a，b的夹角为60°，c＝3a＋5b，d＝ma－3b，求当m为何值时，c与d垂直？
[思路探究]由条件计算a·b，当c ⊥ d时，c·d＝0列方程求解m。
四、精炼反馈
1．已知点A，B，C满足||＝3，||＝4，||＝5，则·＋·＋·的值是（ ）。
A．－25 B．25
C．－24 D．24
2．（2019·全国卷Ⅰ）已知非零向量a，b满足|a|＝2|b|，且（a－b）⊥b，则a与b的夹角为（ ）。
A．
B．
C．
D．
3．已知|a|＝4，e为单位向量，a在e方向上的投影的数量为－2，则a与e的夹角为________。
4．已知a·b＝20，|a|＝5，求b在a方向上的投影的数量。
答案解析
二、初试身手
1．【答案】D
【解析】向量a在b方向上的投影为|a| cos θ＝3×cos ＝。故选D。
2．【答案】C
【解析】在△ABC中，因为b·a＝0，所以b ⊥ a，故△ABC为直角三角形。
3．【答案】互补
【解析】根据向量夹角定义可知向量，夹角为∠BAC，而向量，夹角为π－∠BAC，故二者互补。
三、合作探究
例1．【答案】（1）③④；
（2）－；－4；
（3）8
【解析】（1）由数量积的定义知a·b＝|a||b|·cos θ（θ为向量a，b的夹角）。
①若a·b＝0，则θ＝90°或a＝0或b＝0，故①错；
②若a·b<0，则θ为钝角或θ＝180°，故②错；
③由·＝0知B＝90°，故△ABC为直角三角形，故③正确；
④由a2＝|a|2＝1，b2＝|b|2＝1，故④正确。
（2）设a与b的夹角为θ，则有
a·b＝|a|·|b| cos θ＝－12，
所以向量a在向量b方向上的投影的数量为|a|·cos θ＝＝＝－；向量b在向量a方向上的投影的数量为|b|·cos θ＝＝＝－4．
（3）如图，过点A作AD⊥BC，垂足为D．
因为AB＝AC，
所以BD＝BC＝2，
于是||cos ∠ABC＝||
＝||＝×4＝2，
所以·＝||||cos ∠ABC＝4×2＝8。
例2．【答案】设向量a与b的夹角为θ，
（1）a∥ b时，有两种情况：
①若a和b同向，则θ＝0°，a·b＝|a||b|，cos 0°＝20；
②若a与b反向，则θ＝180°，a·b＝|a||b| cos 180°＝－20.
（2）当a ⊥ b时，θ＝90°，
∴a·b＝0.
（3）当a与b夹角为135°时，
a·b＝|a||b| cos 135°＝－10。
例3．【答案】因为a2＝4，所以|a|2＝4，即|a|＝2，
将x＝1代入原方程可得1＋2×1＋a·b＝0，所以a·b＝－3，所以a·b＝|a||b| cos 〈a，b〉
＝2|b|cos 120°＝－3，所以|b|＝3．
例4．【答案】由已知得a·b＝3×2×cos 60°＝3．
由c ⊥ d，知c·d＝0，
即c·d＝（3a＋5b）·（ma－3b）＝3ma2＋（5m－9）a·b－15b2＝27m＋3（5m－9）－60＝42m－87＝0，
∴m＝，即m＝时，c与d垂直。
即9|b|2＝13|b|2＋12|b|2cos θ，故有cos θ＝－。]
四、精炼反馈
1．【答案】A
【解析】因为||2＋||2＝9＋16＝25＝||2，
所以∠ABC＝90°，所以原式＝·＋·（＋）＝0＋·＝－2＝－25．
2．【答案】B
【解析】设a与b的夹角为α，∵（a－b）⊥b，∴（a－b）·b＝0，∴a·b＝b2，∴|a|·|b|cos α＝|b|2，又|a|＝2|b|，∴cos α＝，∵α∈[0，π]，∴α＝。故选B．
3．【答案】120°
【解析】因为a在e方向上的射影为－2，
即|a| cos〈a，e〉＝－2，所以cos〈a，e〉＝＝－，
又〈a，e〉∈[0，π]，所以〈a，e〉＝120°。]
4．【答案】设a，b的夹角为θ，
则b在a方向上的投影的数量就是|b| cos θ，
因为|a||b| cos θ＝a·b＝20，
所以|b| cos θ＝＝＝4，
即b在a方向上的投影的数量是4。
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学习目标 核心素养
1．理解平面向量数量积的含义及其物理意义。（难点） 2．体会平面向量的数量积与向量射影的关系。（重点）3．掌握数量积的运算性质，并会利用其性质解决有关长度、夹角、垂直等问题。（重点） 1．通过向量的夹角、向量数量积概念的学习，培养学生的数学抽象核心素养。 2．通过向量数量积的应用，培养学生的数学运算核心素养。
【学习过程】
一、新知初探
1．向量的夹角
定义 已知两个非零向量a和b，作＝a，＝b，则∠AOB＝θ叫做向量a与b的夹角。
范围 0°≤θ≤180°
特例 θ＝0° a与b同向
θ＝180° a与b反向
θ＝90° a与b垂直，记作a ⊥ b，规定零向量可与任一向量垂直
2．向量的数量积
向量在轴上的投影。已知向量a和轴l，如图。
（1）投影的概念：作＝a，过点O，A分别作轴l的垂线，垂足分别为O1，A1，则向量叫做向量a在轴l上的投影（简称射影）；
（2）投影的数量：该射影在轴l上的坐标，称作a在轴l上的数量或在轴l的方向上的数量。＝a在轴l上投影的坐标记作al，向量a的方向与轴l的正向所成的角为θ，则由三角函数中的余弦定义有al＝|a| cos θ。
3．平面向量数量积的定义
|a||b| cos〈a，b〉叫做向量a和b的数量积，记作|a||b| cos〈a，b〉。
4．数量积的性质
（1）若e是单位向量，则e·a＝a·e＝|a| cos〈a·e〉。
思考1：向量的数量积与数乘向量的区别是什么？
【提示】向量的数量积a·b是一个实数，不考虑方向；数乘向量λa是一个向量，既有大小，又有方向，这是二者的区别。
（2）若a ⊥ b，则a·b＝0；反之，若a·b＝0，则a⊥ b，通常记作a⊥ b a·b＝0.
思考2：a·b＝0与ab＝0的区别是什么？
【提示】（1）意义和表达方式不同。
a·b表示两个向量的数量积，中间的“·”不能省略，也不能写成“×”。
（2）推出的结果不同。由a·b＝0可推出以下四种可能
①a＝0，b＝0，②a＝0，b≠0，③a≠0，b＝0，④a≠0，b≠0，但a ⊥ B．而ab＝0可推出a与b中至少有一个为0.
（3）|a|＝。
（4）cos θ＝。（|a|·|b|≠0）
（5）对任意两个向量a，b，有|a·b|≤|a||b|。当且仅当a ∥ b 时等号成立。
二、初试身手
1．已知|a|＝3，向量a与b的夹角为，则a在b方向上的投影为（ ）。
A． B．
C． D．
2．在△ABC中，＝a，＝b，且b·a＝0，则△ABC是（ ）。
A．锐角三角形 B．钝角三角形
C．直角三角形 D．无法确定
3．如图，在△ABC中，，的夹角与，的夹角的关系为________。
三、合作探究
类型一：与向量数量积有关的概念
【例1】（1）以下四种说法中正确的是________。（填序号）
①如果a·b＝0，则a＝0或b＝0；
②如果向量a与b满足a·b<0，则a与b所成的角为钝角；
③△ABC中，如果·＝0，那么△ABC为直角三角形；
④如果向量a与b是两个单位向量，则a2＝b2
（2）已知|a|＝3，|b|＝5，且a·b＝－12，则a在b方向上的投影的数量为________，b在a方向上的投影的数量为________。
（3）已知等腰△ABC的底边BC长为4，则·＝________。
[思路探究]根据数量积的定义、性质、运算律及投影的定义解答。
类型二：数量积的基本运算
【例2】已知|a|＝4，|b|＝5，当（1）a ∥ b；（2）a ⊥ b；（3）a与b的夹角为135°时，分别求a与b的数量积。
[思路探究]（1）当a ∥ b时，a与b夹角可能为0°或180°。（2）当a ⊥ b时，a与b夹角为90°。（3）若a与b夹角及模已知时可利用a·b＝|a|·|b| cos θ（θ为a，b夹角）求值。
类型三：与向量模有关的问题
【例3】已知x＝1是方程x2＋|a|x＋a·b＝0的根，且a2＝4，a与b的夹角为120°。求向量b的模。
1．（变结论）本例题设条件不变，求b在a方向上的射影的数量。
【解】由例题解析可知|b|＝3．
因为|b| cos〈a，b〉＝3×cos 120°＝－。
所以b在a方向上的射影的数量为－。
2．（变条件）将本例中“a与b的夹角θ为120°”改为“|a·b|＝3”。如何求a与b的夹角θ？
【解】易求|a|＝2，|b|＝3．
因为a·b＝|a||b| cos θ，
所以|a·b|＝|a||b||cos θ|＝3，
所以|cos θ|＝，故cos θ＝±。
又因为θ∈[0，π]，所以θ＝或。
类型四：平面向量数量积的性质
[探究问题]
1．设a与b都是非零向量，若a ⊥ b，则a·b等于多少？反之成立吗？
【提示】a⊥ b a·b＝0.
2．当a与b同向时，a·b等于什么？当a与b反向时，a·b等于什么？特别地，a·a等于什么？
【提示】当a与b同向时，a·b＝|a||b|；当a与b反向时，a·b＝－|a||b|；a·a＝a2＝|a|2或|a|＝。
3．|a·b|与|a||b|的大小关系如何？为什么？对于向量a，b，如何求它们的夹角θ？
【提示】|a·b|≤|a||b|，设a与b的夹角为θ，则a·b＝|a||b|cos θ。
两边取绝对值得：
|a·b|＝|a||b||cos θ|≤|a||b|。
当且仅当|cos θ|＝1，
即cos θ＝±1，θ＝0或π时，取“＝”，
所以|a·b|≤|a||b|，cos θ＝。
【例4】已知|a|＝3，|b|＝2，向量a，b的夹角为60°，c＝3a＋5b，d＝ma－3b，求当m为何值时，c与d垂直？
[思路探究]由条件计算a·b，当c ⊥ d时，c·d＝0列方程求解m。
四、精炼反馈
1．已知点A，B，C满足||＝3，||＝4，||＝5，则·＋·＋·的值是（ ）。
A．－25 B．25
C．－24 D．24
2．（2019·全国卷Ⅰ）已知非零向量a，b满足|a|＝2|b|，且（a－b）⊥b，则a与b的夹角为（ ）。
A．
B．
C．
D．
3．已知|a|＝4，e为单位向量，a在e方向上的投影的数量为－2，则a与e的夹角为________。
4．已知a·b＝20，|a|＝5，求b在a方向上的投影的数量。
答案解析
二、初试身手
1．【答案】D
【解析】向量a在b方向上的投影为|a| cos θ＝3×cos ＝。故选D。
2．【答案】C
【解析】在△ABC中，因为b·a＝0，所以b ⊥ a，故△ABC为直角三角形。
3．【答案】互补
【解析】根据向量夹角定义可知向量，夹角为∠BAC，而向量，夹角为π－∠BAC，故二者互补。
三、合作探究
例1．【答案】（1）③④；
（2）－；－4；
（3）8
【解析】（1）由数量积的定义知a·b＝|a||b|·cos θ（θ为向量a，b的夹角）。
①若a·b＝0，则θ＝90°或a＝0或b＝0，故①错；
②若a·b<0，则θ为钝角或θ＝180°，故②错；
③由·＝0知B＝90°，故△ABC为直角三角形，故③正确；
④由a2＝|a|2＝1，b2＝|b|2＝1，故④正确。
（2）设a与b的夹角为θ，则有
a·b＝|a|·|b| cos θ＝－12，
所以向量a在向量b方向上的投影的数量为|a|·cos θ＝＝＝－；向量b在向量a方向上的投影的数量为|b|·cos θ＝＝＝－4．
（3）如图，过点A作AD⊥BC，垂足为D．
因为AB＝AC，
所以BD＝BC＝2，
于是||cos ∠ABC＝||
＝||＝×4＝2，
所以·＝||||cos ∠ABC＝4×2＝8。
例2．【答案】设向量a与b的夹角为θ，
（1）a∥ b时，有两种情况：
①若a和b同向，则θ＝0°，a·b＝|a||b|，cos 0°＝20；
②若a与b反向，则θ＝180°，a·b＝|a||b| cos 180°＝－20.
（2）当a ⊥ b时，θ＝90°，
∴a·b＝0.
（3）当a与b夹角为135°时，
a·b＝|a||b| cos 135°＝－10。
例3．【答案】因为a2＝4，所以|a|2＝4，即|a|＝2，
将x＝1代入原方程可得1＋2×1＋a·b＝0，所以a·b＝－3，所以a·b＝|a||b| cos 〈a，b〉
＝2|b|cos 120°＝－3，所以|b|＝3．
例4．【答案】由已知得a·b＝3×2×cos 60°＝3．
由c ⊥ d，知c·d＝0，
即c·d＝（3a＋5b）·（ma－3b）＝3ma2＋（5m－9）a·b－15b2＝27m＋3（5m－9）－60＝42m－87＝0，
∴m＝，即m＝时，c与d垂直。
即9|b|2＝13|b|2＋12|b|2cos θ，故有cos θ＝－。]
四、精炼反馈
1．【答案】A
【解析】因为||2＋||2＝9＋16＝25＝||2，
所以∠ABC＝90°，所以原式＝·＋·（＋）＝0＋·＝－2＝－25．
2．【答案】B
【解析】设a与b的夹角为α，∵（a－b）⊥b，∴（a－b）·b＝0，∴a·b＝b2，∴|a|·|b|cos α＝|b|2，又|a|＝2|b|，∴cos α＝，∵α∈[0，π]，∴α＝。故选B．
3．【答案】120°
【解析】因为a在e方向上的射影为－2，
即|a| cos〈a，e〉＝－2，所以cos〈a，e〉＝＝－，
又〈a，e〉∈[0，π]，所以〈a，e〉＝120°。]
4．【答案】设a，b的夹角为θ，
则b在a方向上的投影的数量就是|b| cos θ，
因为|a||b| cos θ＝a·b＝20，
所以|b| cos θ＝＝＝4，
即b在a方向上的投影的数量是4。
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