6.4.2 向量在物理中的应用举例
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没有考过本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
这一节没有新知识点,全部是把前面几节的向量运算搬进物理情境。 真正要练的是两个方向的翻译:把物理条件翻译成向量式子, 再把算出来的式子翻译回物理结论。两个例题各练一种运算—— 例 3 练力的合成,用平行四边形法则; 例 4 练速度的合成,难点是自己判断合速度该指向哪儿。
下面,我们再来感受一下向量在物理中的应用.
一、例 3:为什么夹角越大越费力
例3 在日常生活中,我们有这样的经验:两个人共提一个旅行包,两个拉力夹角越大越费力;在单杠上做引体向上运动,两臂的夹角越小越省力.你能从数学的角度解释这种现象吗?
分析:不妨以两人共提旅行包为例,只要研究清楚两个拉力的合力、旅行包所受的重力以及两个拉力的夹角三者之间的关系,就可以获得问题的数学解释.
这句”分析”其实已经把解法定死了:题目问的是费力还是省力, 费力就是单只手的拉力 变大,所以只要把 写成 的函数, 再看这个函数的单调性。
解:先来看共提旅行包的情况. 如图 6.4-5,设作用在旅行包上的两个拉力分别为 , ,为方便起见,我们不妨设 . 另设 , 的夹角为 ,旅行包所受的重力为 G.
由向量的平行四边形法则、力的平衡以及直角三角形的知识,可以知道
这个公式是三步拼出来的,每一步都要交代:
- 力的平衡:旅行包不动,所受合力为零,所以 与 大小相等、方向相反, 即 ,方向竖直向上。
- 平行四边形法则加上等腰:因为 , 以 、 为邻边的平行四边形是菱形,而菱形的对角线平分内角, 所以合力方向恰好把夹角 平分, 与合力的夹角是 。
- 直角三角形:菱形的对角线互相垂直,把合力投影回 上就得到
再与第 1 步的 合起来,就是课本那个式子。
“不妨设 “这一句不能当成废话。两个人力气不一样时结论仍然成立, 但那要用余弦定理去算,不是这里的两行。设成相等是为了让菱形出现, 把问题压成一道初中几何。
这里, 为定值.分析上面的式子,我们发现,当 由0逐渐变大到 时, 由0逐渐变大到 , 的值由大逐渐变小,此时 由小
逐渐变大;反之,当 由 逐渐变小到0时, 由 逐渐变小到0, 的值由小逐渐变大,此时 由大逐渐变小。这就是说, 之间的夹角越大越费力,夹角越小越省力。
这一段做的就是单调性讨论,只是没用”单调”两个字。链条是
能这样一路推下去,靠的是 落在 里, 余弦函数在这一段上递减而且恒为正。 取不到 :真取到了, 两个拉力方向相反、合力为零,包就掉下去了;式子里也正好是分母趋于零、 无限增大。
同理,在单杠上做引体向上运动,两臂的夹角越小越省力.
探究两问
(1) 当 为何值时, 最小?最小值是多少?
(2) 能等于 吗?为什么?
事实上,要使 最小,只需 最大,此时 ,可得 .于是 的最小值为 .若要使 ,只需 ,此时 ,即
(1) 是定值,要 最小就要 最大。 在 上余弦的最大值在左端点取到, 即 、,此时
这个结果的物理意思很直白:两只手都竖直向上提,每只手正好分担一半重量。 再想省力是不可能的,因为两只手加起来必须扛住整个重力。
(2) 能。令 ,得 , 于是 ,即 。 也就是说,两臂张到 时,每只手用的力已经等于包的全部重量, 再张开还要更大。这是”夹角越大越费力”最有冲击力的一个数据点。
二、例 4:航程最短怎么翻译成向量条件
例 4 如图 6.4-6,一条河两岸平行,河的宽度 ,一艘船从河岸边的 A 地出发,向河对岸航行。已知船的速度 的大小为 ,水流速度 的大小为 ,那么当航程最短时,这艘船行驶完全程需要多长时间(精确到 0.1 min)?
分析:如果水是静止的,那么船只要取垂直于河岸的方向行驶,就能使航程最短,此时所用时间也是最短的。考虑到水的流速,要使航程最短,船的速度与水流速度的合速度 v 必须垂直于河岸。
整道题的难点全在”分析”这一句:航程最短,等价于实际走的路线垂直于河岸, 也就等价于合速度 垂直于河岸。船头指的方向是 , 船实际走的方向却是 ,要垂直河岸的是后者,不是前者。
解:设点 B 是河对岸一点,AB 与河岸垂直,那么当这艘船实际沿着 AB 方向行驶时,船的航程最短.
如图6.4-7,设 ,则
根号里为什么是减法,这一步最容易错。把三个向量摆成一个三角形: 沿河岸, 垂直河岸, 把它们连起来。 直角夹在 与 之间, 所以 是这个直角三角形的斜边,于是
写成加法,就是把 当成了直角边,那对应的是”船头垂直河岸”的另一种开法。
此时,船的航行时间
所以,当航程最短时,这艘船行驶完全程需要 3.1 min.
式子里的 和那个 是两次单位换算: 河宽 要先化成 ,才能和 相除; 除完得到的是小时,再乘 化成分钟。两处只要漏一处,答案就差着量级。
附带一个课本没算、但值得算的对照
“航程最短”和”用时最短”在有水流时不是同一件事。本题问的是航程最短,答案 。 若改问用时最短,就该让船头 直接垂直河岸—— 这时垂直于河岸的速度分量是满的 :
比 还快,代价是船被水冲下去一段,实际航程变成
静水时两个”最短”重合,一旦有水流就分家了,读题要看清问的是哪一个。
三、顺带把”功”复习一遍
本节练习第 1 题考的不是合成,而是 §6.2.4 学过的数量积: 常力 使物体产生位移 ,所做的功是
这里有三件事要记住:功是数量积,算出来是一个实数,不是向量; 是 与 的夹角,不是 与水平方向的夹角; 为钝角时 ,表示这个力做的是负功。 题目给了坐标时最省事,直接用 §6.3.5 的坐标公式
连夹角都不必求。
四、常见错法
- 把 写成加法。 是斜边不是直角边, 判断依据是”直角夹在 与 之间”。
- 把航程最短当成用时最短。上面已经算过,两者答案不同、路线也不同。
- 忘了把河宽 化成 就直接相除。
- 把 套在两个拉力不相等的情形上。 这个公式的前提就是那句”不妨设”,靠的是菱形对角线平分内角。
- 把 的取值范围写成闭区间。 时合力为零、托不住重物, 这个端点在物理上取不到。
- 算功时忘了结果是实数。 不是向量,而且力与位移成钝角时它是负的。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
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本目录下两页各带一组题:
page-0047(印刷第 40 页)的页首是 §6.4.1「练习」第 3 题—— 第 1、2 题的题干排在上一页,归上一目录,本页只留下了第 2 题的插图;page-0048(印刷第 41 页)是 §6.4.2 自己的「练习」三道。
共 4 道。后三道全是物理题,套路完全一致:
先把每一个力或速度写成向量,再用平衡条件(合力为零)或合成条件(合速度等于向量和)列式,最后落到数量积或余弦定理上去算。
§6.4.1 练习(第 40 页)第 3 题
- 如图,在 中,点 是 的中点,过点 的直线分别交直线 , 于不同的两点 ,。设 ,,求 的值。

先看清题面说的是”直线 ,直线 “,不是线段。图里 就落在 的延长线上、 落在三角形外面, 才在线段 上。所以 、 未必都大于 , 下面的推导也不能依赖 、 的具体位置。
第一步:把 用 、 表示
设 ,,它们不共线。 是 的中点,所以
由 、 直接代入:
(顺带说明 、:若 则 ,与 、 是三角形的两个顶点矛盾。)
第二步:用 、、 共线逼出系数关系
、、 在同一条直线上,所以存在实数 使 ,即
整理得
关键的一句是:这样的表示只有一种。 与 共线、 与 共线,而 、 不共线, 所以 、 也不共线, 是一组基底。由平面向量基本定理,同一个 在这组基底下的系数是唯一的:
第三步:相加
两式相加, 自己消掉:
验算
取 、、,则 。 设 在直线 上,直线 与 轴(即直线 )交于 。于是
对任意 都是 ,与 落在线段内还是延长线上无关。 图里 在 外侧对应 ,此时 、,和图形吻合。
这道题的通法值得单独记住:直线上一点用两个端点表示时,系数之和为 。 以后见到”过某定点的直线交两边于 、,求系数关系”, 一律先把定点向量用 、 表示,再让系数和等于 。
练习(第 41 页)第 1 题
- 一物体在力 的作用下,由点 移动到点 . 已知 ,求 对该物体所做的功.
位移向量就是 ,用终点坐标减起点坐标:
功是力与位移的数量积,按 §6.3.5 的坐标公式算:
所以 对该物体所做的功是 。 若力以 、位移以 为单位,即 。
两处容易丢分的地方:一是位移必须是 而不是 , 方向反了功就变成 ;二是不要去求夹角再乘余弦, 有坐标时坐标公式一步到位,绕道求 只会引进近似误差。
顺带一验: 说明 与位移成锐角,这个力在做正功。
练习(第 41 页)第 2 题
- 如图,一滑轮组中有两个定滑轮 A,B,在从连接点 O 出发的三根绳的端点处,挂着 3 个重物,它们所受的重力分别为 4 N,4 N 和 N. 此时整个系统恰处于平衡状态,求 的大小.

先把三根绳的拉力写清楚
定滑轮只改变绳中拉力的方向,不改变它的大小——这是把”某侧挂着 的重物” 翻译成”这根绳对 的拉力大小是 “的唯一依据,必须写出来。于是作用在 上的三个力是:
- 沿 方向、大小 的拉力 ;
- 沿 方向、大小 的拉力 ;
- 竖直向下、大小 的重力 (第三个重物直接挂在 的正下方)。
列平衡方程
系统平衡即三力之和为零:
设 ,两边平方并展开:
因为 ,所以
换一条路核对
,所以合力沿 的平分线, 而合力必须竖直向上,于是两根绳各与竖直方向成 。把竖直分量加起来:
同样得到 。这条路和例 3 里 是同一个式子, 只是这里已知力反求角。
练习(第 41 页)第 3 题
- 若平面上的三个力 , , 作用于一点,且处于平衡状态.已知 与 的夹角为 ,求:
(1) 的大小;
(2) 与 夹角的大小.
(1) 的大小
三力平衡,所以 , 两者大小相同。先算数量积:
再算 :
于是
注意 ,开方得
能配成完全平方,是这道题的数字设计。 遇到 先试着凑 ,凑得上就不必留着根号里的根号。
(2) 与 夹角的大小
建系最省事。取 的方向为 轴正方向:
相加再取相反向量:
设 与 的夹角为 :
因为 ,所以
两个自检
其一,用方向角复核。 的方向角 满足
所以 ; 与它反向,与 的夹角就是 ,与上面一致。
其二,三个夹角之和应为 。 三个力两两之间的夹角是 、 和 ( 在 、 在 , 两者相差 ),
三个共点力平衡时首尾相接成一个封闭三角形,这个和必然是 , 算完顺手加一下,角度算错立刻能看出来。
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- 如图,在 中,点 是 的中点,过点 的直线分别交直线 , 于不同的两点 ,。设 ,,求 的值。


6.4.2 向量在物理中的应用举例
下面,我们再来感受一下向量在物理中的应用.
例3 在日常生活中,我们有这样的经验:两个人共提一个旅行包,两个拉力夹角越大越费力;在单杠上做引体向上运动,两臂的夹角越小越省力.你能从数学的角度解释这种现象吗?
分析:不妨以两人共提旅行包为例,只要研究清楚两个拉力的合力、旅行包所受的重力以及两个拉力的夹角三者之间的关系,就可以获得问题的数学解释.
解:先来看共提旅行包的情况. 如图 6.4-5,设作用在旅行包上的两个拉力分别为 , ,为方便起见,我们不妨设 . 另设 , 的夹角为 ,旅行包所受的重力为 G.
由向量的平行四边形法则、力的平衡以及直角三角形的知识,可以知道

这里, 为定值.分析上面的式子,我们发现,当 由0逐渐变大到 时, 由0逐渐变大到 , 的值由大逐渐变小,此时 由小
图6.4-5
逐渐变大;反之,当 由 逐渐变小到0时, 由 逐渐变小到0, 的值由小逐渐变大,此时 由大逐渐变小。这就是说, 之间的夹角越大越费力,夹角越小越省力。
同理,在单杠上做引体向上运动,两臂的夹角越小越省力.
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探究
(1) 当 为何值时, 最小?最小值是多少?
(2) 能等于 吗?为什么?
事实上,要使 最小,只需 最大,此时 ,可得 .于是 的最小值为 .若要使 ,只需 ,此时 ,即
例 4 如图 6.4-6,一条河两岸平行,河的宽度 ,一艘船从河岸边的 A 地出发,向河对岸航行。已知船的速度 的大小为 ,水流速度 的大小为 ,那么当航程最短时,这艘船行驶完全程需要多长时间(精确到 0.1 min)?

分析:如果水是静止的,那么船只要取垂直于河岸的方向行驶,就能使航程最短,此时所用时间也是最短的。考虑到水的流速,要使航程最短,船的速度与水流速度的合速度 v 必须垂直于河岸。
图6.4-6
解:设点 B 是河对岸一点,AB 与河岸垂直,那么当这艘船实际沿着 AB 方向行驶时,船的航程最短.
如图6.4-7,设 ,则
此时,船的航行时间

所以,当航程最短时,这艘船行驶完全程需要 3.1 min.
练习
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一物体在力 的作用下,由点 移动到点 . 已知 ,求 对该物体所做的功.
-
如图,一滑轮组中有两个定滑轮 A,B,在从连接点 O 出发的三根绳的端点处,挂着 3 个重物,它们所受的重力分别为 4 N,4 N 和 N. 此时整个系统恰处于平衡状态,求 的大小.
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若平面上的三个力 , , 作用于一点,且处于平衡状态.已知 与 的夹角为 ,求:

(1) 的大小;
(2) 与 夹角的大小.