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例3:向量垂直

平面向量的线性运算与数量积 · 高一
讲清楚它是什么

定义 平面向量 $\vec{a}$ 与 $\vec{b}$ 的夹角为 $90^\circ$(即 $\pi/2$),记作 $\vec{a} \perp \vec{b}$。

从哪来 本节为高一数学向量章节的起点,基于初中几何中“两条直线互相垂直”的直观概念,将其推广至向量领域。

为什么 向量垂直的本质是方向的正交性。在解析几何中,若两个非零向量的方向互相垂直,则它们在彼此方向上的投影长度均为零。根据向量数量积的定义 $\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta$,当 $\theta = 90^\circ$ 时,$\cos 90^\circ = 0$,故 $\vec{a} \cdot \vec{b} = 0$。反之,若 $\vec{a} \cdot \vec{b} = 0$ 且 $\vec{a}, \vec{b}$ 均非零,则 $\cos\theta = 0$,即 $\theta = 90^\circ$。因此,数量积为零是判断非零向量垂直的充要条件。

几何直观法
利用直角坐标系,画出两个互相垂直的向量(如 $\vec{a}=(1,0)$ 和 $\vec{b}=(0,1)$)。引导学生观察坐标特征:一个向量的横坐标与另一个向量的纵坐标对应位置相乘再相加($1\times0 + 0\times1$)结果为0。适合形象思维强、抽象代数运算较弱的学生。
代数推导法
从数量积定义出发,强调 $\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta$。指出因为模长 $|\vec{a}|, |\vec{b}|$ 恒为正数,所以积为0的唯一可能是 $\cos\theta=0$,从而锁定角度为90度。适合逻辑推理能力强、偏好严谨推导的学生。
坐标运算法
直接给出结论:若 $\vec{a}=(x_1, y_1), \vec{b}=(x_2, y_2)$,则 $\vec{a} \perp \vec{b} \iff x_1x_2 + y_1y_2 = 0$。通过大量坐标计算练习强化记忆。适合计算熟练、追求解题速度的学生。
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练一道
变式
(修正)**:已知向量 $\vec{a} = (1, 2)$,$\vec{b} = (3, 1)$,若向量 $\vec{m} = \vec{a} + \lambda \vec{b}$ 与 $\vec{n} = \vec{a} - \vec{b}$ 垂直,求实数 $\lambda$。
试试手自己判
检测题
已知向量 $\vec{a} = (1, 2)$,$\vec{b} = (x, 1)$,若 $\vec{a} \perp \vec{b}$,则 $x$ 的值为?
看答案和判分标准
答案:$-1/2$
判对标准:
1. 学生能列出方程 $1 \cdot x + 2 \cdot 1 = 0$(或等价形式)。
2. 解得 $x = -2$ 是错误的(常见错误:误以为 $x/2 = 0$ 或 $x+2=0$ 但计算错)。正确解法:$x + 2 = 0 \Rightarrow x = -2$?
*等等,重新计算*:
$\vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot x + 2 \cdot 1 = x + 2$
令 $x + 2 = 0$,则 $x = -2$。
*刚才例题里算的是 $2x-12=0 \Rightarrow x=6$,这里 $x+2=0 \Rightarrow x=-2$。*
修正答案:$-2$
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