Проекции на оси координат в физике. Проекции векторов на координатные оси

Теперь мы готовы ввести важнейшее понятие проекции вектора на ось. Оно постоянно используется при решении физических задач.

7.5.1 Что такое проекция вектора на ось?

Пусть даны вектор ~a и ось X. Предполагается, что на оси X имеется масштаб, позволяющий измерять длины отрезков и присваивать им размерность вектора ~a.

Из начала и конца вектора ~a опустим перпендикуляры на ось X; пусть A и B основания этих перпендикуляров (рис. 7.26 ). Длину отрезка AB обозначим jABj.

Рис. 7.26. Проекция вектора на ось

Определение. Проекция ax вектора ~a на ось X равна длине отрезка AB, взятой со знаком плюс, если угол " между вектором ~a и осью X является острым, и взятой соответственно со знаком минус, если " тупой (или развёрнутый). Если угол " прямой, то ax = 0.

Короче говоря, имеем следующую формулу:

Рисунок 7.27 иллюстрирует все эти возможности.

Здесь, как обычно, a = j~aj модуль вектора ~a.

Действительно, если " < 90 , то формула (7.10 ) даёт длину левого красного отрезка на рис.7.27 .

Если " > 90 , то, переходя в средней части рис. 7.27 к углу, смежному c углом ", мы видим, что формула (7.10 ) даёт длину среднего красного отрезка со знаком минус (за счёт отрицательности косинуса), что нам как раз и нужно.

Наконец, если " = 90 , то формула (7.10 ) даёт ax = 0, поскольку косинус прямого угла равен нулю. Именно так и должно быть (правая часть рисунка).

Предположим теперь, что на оси X задано вдобавок начало отсчёта, так что она является привычной координатной осью. Тогда имеем ещё одну формулу для проекции ax , которая также содержит в ¾заархивированном¿ виде все три случая рисунка7.27 .

Следствие 2. Пусть x1 и x2 координаты соответственно начала и конца вектора ~a. Тогда проекция ax вычисляется по формуле:

ax = x2 x1 :

Действительно, посмотрим на рис. 7.28 . Это случай положительной проекции. Из рисунка очевидно, что разность x2 x1 равна длине красного отрезка, а эта длина в данном случае как раз и есть проекция ax .

Рис. 7.28. Проекция вектора на ось. К следствию 2

Что будет в оставшихся двух случаях (ax < 0 и ax = 0)? Убедитесь, пожалуйста, самостоятельно, что формула (7.11 ) и для них остаётся справедливой.

7.5.2 Свойства проектирования вектора на ось

Операция проектирования вектора на ось замечательным образом согласована с операциями сложения векторов и умножения скаляра на вектор. А именно, какова бы ни была ось X, имеют место следующие два свойства проектирования.

1. Проекция вектора ~a + b на ось X равна ax + bx .

Краткая словесная формулировка: проекция суммы векторов равна сумме их проекций. Это справедливо для суммы любого числа векторов, не только двух.




		Рис. 7.29. ~c = ~a + b) cx = ax

Прежде всего проиллюстрируем данное утверждение на рисунке. Поместим начало век-

тора b в конец вектора ~a, и пусть ~c = ~a + b (рис. 7.29 ).

На данном рисунке хорошо видно, что проекция cx равна сумме длин красного и зелёного отрезков, то есть как раз ax + bx .

Правда, рис. 7.29 сделан для случая ax > 0 и bx > 0. Чтобы доказать наше утверждение сразу для всех возможных значений проекций ax и bx , мы проведём следующее универсальное рассуждение, опирающееся на формулу (7.11 ).


Итак, пусть векторы ~a и b расположены произвольным образом. Снова совместим начало

вектора b с концом вектора ~a и обозначим ~c = ~a + b. Пусть:
	координата начала вектора ~a и одновременно начала вектора ~c;

	координата конца вектора ~a и одновременно начала вектора b;

	координата конца вектора b и одновременно конца вектора ~c.

Эти обозначения также присутствуют на рис. 7.29 .

В силу формулы (7.11 ) имеем: ax = x2 x1 , bx = x3 x2 , cx = x3 x1 . Теперь легко видеть, что:

ax + bx = (x2 x1 ) + (x3 x2 ) = x3 x1 = cx :

Наше первое свойство проектирования тем самым доказано.

2. Проекция вектора ~a на ось X равна a x .

Словесная формулировка: проекция произведения скаляра на вектор равна произведению скаляра на проекцию вектора.

Снова начнём с иллюстрации. В левой части рисунка 7.30 изображён вектор ~a с положительной проекцией ax .

Рис. 7.30. Проекция вектора ~a равна ax

Если умножить вектор ~a на 2, то его длина увеличится в два раза, проекция вектора также увеличится вдвое (сохраняя знак) и станет равна 2ax .

Если умножить вектор ~a на 2, то его длина опять-таки увеличится в два раза, но направление изменится на противоположное. Проекция изменит знак и станет равна 2ax .

Тем самым суть второго свойства ясна, и теперь можно дать строгое доказательство.

Итак, пусть ~ . Мы ходим доказать, чтоx x . b = ~a b = a

Воспользуемся для этого формулой (7.10 ). Имеем:

ax = a cos "; bx = b cos ;

где угол между вектором и осью, а угол между вектором ~ и осью. Кроме

того, в силу определения умножения скаляра на вектор:

Таким образом:

bx = j ja cos:

Если, то j j ; в этом случае вектор ~ сонаправлен с вектором, и потому.

> 0 = b ~a = "

bx = a cos " = ax :

Если, то j j ; в этом случае вектор ~ противоположен по направлению векто-

ру ~a. Нетрудно сообразить при этом, что = " (например, если " острый, то есть смежный с ним тупой, и наоборот). Имеем тогда:

bx = ()a cos(") = ()a(cos ") = a cos " = ax :

Итак, во всех случаях получается нужное соотношение, и тем самым второе свойство проектирования полностью доказано.

7.5.3 Операция проектирования в физике

Доказанные свойства операции проектирования очень важны для нас. В механике, например, мы будем пользоваться ими на каждом шагу.

Так, решение многих задач по динамике начинается с записи второго закона Ньютона в векторной форме. Возьмём, к примеру, маятник массы m, подвешенный на нити. Для маятника второй закон Ньютона будет иметь вид:

Записав второй закон Ньютона в векторной форме, мы переходим к его проектированию на

подходящие оси. Берём равенство (7.12 ) и проектируем на ось X:
max = mgx + Tx + fx :

При переходе от векторного равенства (7.12 ) к скалярному равенству (7.13 ) использованы оба свойства проектирования! А именно, благодарясвойству 1 мы записали проекцию суммы векторов как сумму их проекций; в силу жесвойства 2 мы смогли записать проекции векторов m~a и m~g в виде max и mgx .

Таким образом, оба свойства операции проектирования обеспечивают переход от векторных равенств к скалярным, и переход этот можно выполнять формально и не задумываясь: отбрасываем стрелки в обозначениях векторов и ставим вместо них индексы проекций. Именно так выглядит переход от уравнения (7.12 ) к уравнению (7.13 ).

а на ось или какой-либо другой вектор существуют понятия ее геометрической проекции и числовой (или алгебраической) проекции. Результатом геометрической проекции будет вектор, а результатом алгебраической – неотрицательное действительное число. Но перед тем, как перейти к этим понятиям вспомним необходимую информацию.

Предварительные сведения

Основное понятие – непосредственно понятие вектора. Для того, чтобы ввести определение геометрического вектора вспомним, что такое отрезок . Введем следующее определение.

Определение 1

Отрезком будем называть часть прямой, которая имеет две границы в виде точек.

Отрезок может иметь 2 направления. Для обозначения направления будем называть одну из границ отрезка его началом, а другую границу - его концом. Направление указывается от его начала к концу отрезка.

Определение 2

Вектором или направленным отрезком будем называть такой отрезок, для которого известно, какая из границ отрезка считается началом, а какая его концом.

Обозначение: Двумя буквами: $\overline{AB}$ – (где $A$ его начало, а $B$ – его конец).

Одной маленькой буквой: $\overline{a}$ (рис. 1).

Введем еще несколько понятий, связанных с понятием вектора.

Определение 3

Два ненулевых вектора будем называть коллинеарными, если они лежат на одной и той же прямой или на прямых, параллельных друг другу (рис.2).

Определение 4

Два ненулевых вектора будем называть сонаправленными, если они удовлетворяют двум условиям:

Эти векторы коллинеарны.
Если они будут направлены в одну сторону (рис. 3).

Обозначение: $\overline{a}\overline{b}$

Определение 5

Два ненулевых вектора будем называть противоположно направленными, если они удовлетворяют двум условиям:

Эти векторы коллинеарны.
Если они направлены в разные стороны (рис. 4).

Обозначение: $\overline{a}↓\overline{d}$

Определение 6

Длиной вектора $\overline{a}$ будем называть длину отрезка $a$.

Обозначение: $|\overline{a}|$

Перейдем к определению равенства двух векторов

Определение 7

Два вектора будем называть равными, если они удовлетворяют двух условиям:

Они сонаправлены;
Их длины равны (рис. 5).

Геометрическая проекция

Как мы уже сказали ранее, результатом геометрической проекции будет вектор.

Определение 8

Геометрической проекцией вектора $\overline{AB}$ на ось будем называть такой вектор, который получается следующим образом: Точка начала вектора $A$ проецируется на данную ось. Получаем точку $A"$ - начало искомого вектора. Точка конца вектора $B$ проецируется на данную ось. Получаем точку $B"$ - конец искомого вектора. Вектор $\overline{A"B"}$ и будет искомым вектором.

Рассмотрим задачу:

Пример 1

Постройте геометрическую проекцию $\overline{AB}$ на ось $l$, изображенные на рисунке 6.

Проведем из точки $A$ перпендикуляр к оси $l$, получим на ней точку $A"$. Далее проведем из точки $B$ перпендикуляр к оси $l$, получим на ней точку $B"$ (рис. 7).

1. Проекция вектора на заданное направление.

Пусть заданы два вектора `vec a` и `vec b`. Приведём эти векторы к одному началу `O`.

Угол, образованный лучами, исходящими из точки `O` и направленными вдоль векторов `vec a` и `vec b`, называют углом между векторами `vec a` и `vec b`. Обозначим этот угол через `alpha`.

Число `a_b = a cos alpha` называется проекцией вектора `vec a` на направление вектора `vec b`. Проекция вектора `vec a` получается, если из его конца опустить перпендикуляр на направление вектора `vec b` (рис. 10), тогда расстояние от общего начала векторов - точки `O` - до точки пересечения указанного перпендикуляра с прямой, на которой лежит вектор `vec b`, будет равно модулю проекции вектора `vec a` на направление вектора `vec b`.

Угол `alpha` может принимать различные значения, поэтому в зави-симости от знака `cos alpha` проекция может принимать положительные, отрицательные значения или нуль. Например, если угол `alpha` тупой, т. е. больше, чем `90^@`, но меньше `180^@`, то косинус такого угла отрицателен.

Проекция равна нулю, если направления векторов `vec a` и `vec b` взаимно перпендикулярны.

Проекции равных векторов на любые направления равны друг другу. Проекции противоположных векторов отличаются знаком.

Легко показать, что проекция суммы векторов равна алгебраической сумме их проекций и что при умножении вектора на число его проекция умножается на то же число.

2. Разложение вектора.

До сих пор мы говорили о сложении векторов. Для решения многих задач бывает необходимо произвести обратную процедуру - разложить вектор на составляющие, например, найти несколько сил, которые своим совместным действием могли бы заменить одну данную силу. Такая операция называется разложением сил.

Пусть на плоскости задан вектор `vec a` и две пересекающиеся в точке `O` прямые `AO` и `OB`.

Вектор `vec a` можно представить в виде суммы двух векторов, направленных вдоль заданных прямых. Для этого параллельным переносом совместим начало вектора `vec a` с точкой `O` пересечения прямых. Из конца вектора `vec a` проведём два отрезка прямых, параллельных `AO` и `OB`. В результате получится параллелограмм. По построению

`vec a = vec(a_1) + vec(a_2)`

(*)

Векторы `vec(a_1)` и `vec(a_2)` называются составляющими вектора `vec a` по заданным направлениям, а само представление вектора в виде суммы (*) - разложением вектора по двум направлениям.

В чём разница между проекцией вектора на ось и составляющей (компонентой) вектора вдоль этой оси?

Проекция вектора - скаляр; составляющая вектора вдоль этой оси - вектор, направленный вдоль этой оси.

Пусть `a = 1`, угол между прямыми `AO` и `OB` равен `phi = 45^@`, а угол между векторами `vec a` и `vec(a_1)` равен `phi = 15^@`. Определите модули векторов `vec a_1` и `vec a_2` в разложении (*), а также значения проекций вектора `vec a` на направления `vec(a_1)` и `vec(a_2)`.

`a_(a1) = a cos phi_1 ~~ 0,97`, `a_(a2) = a cos phi_2 = cos 30^@ ~~ 0,87`.

откуда `a_1 = (sin phi_2)/(sin (phi_1 + phi_2)) = (sin 30^@)/(sin 45^@) ~~ 0,71`

и аналогично `a_2 = (sin 15^@)/(sin 45^@) ~~ 0,37`.

3. Проектирование вектора на оси координат.

Особенно важен частный случай разложения вектора по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Пусть на плоскости задана прямоугольная система координат `xOy` и некоторый вектор `vec a`. Отложим из начала координат вдоль положительного направления осей `Ox` и `Oy` векторы `vec i` и `vec j` соответственно такие, что `|vec i| = 1` и `|vec j| = 1`. Векторы `vec i` и `vec j` назовём единичными векторами .

Перенесём вектор `vec a` так, чтобы его начало совпало с началом координат. Пусть в этом положении он изображается направленным отрезком `AO`.

Опустим из точки `A` перпендикуляры на оси `Ox` и `Oy`. Тогда векторы `vec(a_x)` и `vec(a_y)` будут составляющими вектора `vec a` по координатным осям, причём вектор `vec(a_x)`будет коллинеарен вектору `vec i`, а вектор `vec(a_y)` - коллинеарен вектору `vec j`.Следовательно, существуют такие числа `a_x` и `a_y`, что `vec(a_x) = a_x vec i` и `vec(a_y) = a_y vec j`. Таким образом, вектор `vec a` может быть представлен в виде разложения по осям:

`vec a = vec(a_x) + vec(a_y) = a_x vec i + a_y vec j`.

(3)

Числа `a_x` и `a_y` суть проекции вектора `vec a` на направления векторов `vec i` и `vec j` соответственно, то есть на оси `Ox` и `Oy`. Используется и иная, чем (3), форма записи векторов, а именно `vec a = (a_x ; a_y)`.

Иногда говорят о составляющей вектора вдоль одной единственной оси - без указания второй. Просто молчаливо предполагается, что вторая ось перпендикулярна первой (но почему-то не нарисована).

Пусть угол между положительным направлением оси `Ox` и вектором `vec a` равен `alpha`. Тогда `a_x = a cos alpha`, `a_y = a sin alpha`.

В зависимости от значения угла `alpha` проекции вектора `vec a` на оси прямоугольной системы координат могут быть положительными, отрицательными или равными нулю.

Зная проекции вектора `vec a` на оси координат, можно найти его вели-чину и направление по формулам:

`a = sqrt(a_x^2 + a_y^2)`

(4)

`bbb"tg" alpha = (a_y)/(a_x)`

(5)

причём знаки `a_x` и `a_y` будут указывать на то, какому квадранту при-надлежит значение `alpha`.

4. Пусть теперь нам задано векторное равенство `vec a + vec b = vec c`.

Проектируя все векторы на оси координат, получим очевидные равенства

`c_x = a_x + b_x`, `c_y = a_y + b_y`,

`c_x = a cos alpha + b cos beta`,

`c_y = a sin alpha + b sin beta`,

т. е. по проекциям векторов `vec a` и `vec b` легко находятся проекции суммарного вектора `vec c`.

Проектирование различных линий и поверхностей на плоскость позволяет построить наглядное изображение предметов в виде чертежа. Будем рассматривать прямоугольное проектирование, при котором проектирующие лучи перпендикулярны плоскости проекции. ПРОЕКЦИЕЙ ВЕКТОРА НА ПЛОСКОСТЬ считают вектор = (рис. 3.22), заключенный между перпендикулярами, опущенными из его начала и конца.

Рис. 3.22. Векторная проекция вектора на плоскость.

Рис. 3.23. Векторная проекция вектора на ось.

В векторной алгебре часто приходится проектировать вектор на ОСЬ, то есть на прямую, имеющую определенную ориентацию. Такое проектирование выполняется легко, если вектор и ось L лежат в одной плоскости (рис. 3.23). Однако задача усложняется, когда это условие не выполнено. Построим проекцию вектора на ось, когда вектор и ось не лежат в одной плоскости (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Проектирование вектора на ось
в общем случае.

Через концы вектора проводим плоскости, перпендикулярные прямой L. В пересечении с этой прямой данные плоскости определяют две точки А1 и B1 - вектор , который будем называть векторной проекцией данного вектора. Задача нахождения векторной проекции может быть решена проще, если вектор приведен в одну плоскость с осью, что возможно осуществить, так как в векторной алгебре рассматриваются свободные векторы.

Наряду с векторной проекцией, существует и СКАЛЯРНАЯ ПРОЕКЦИЯ, которая равна модулю векторной проекции, если векторная проекция совпадает с ориентацией оси L, и равна величине, ей противоположной, если векторная проекция и ось L имеют противоположную ориентацию. Скалярную проекцию будем обозначать:

Векторная и скалярная проекции не всегда терминологически разделяются строго на практике. Обычно пользуются термином «проекция вектора», подразумевая под этим скалярную проекцию вектора. При решении же необходимо четко эти понятия различать. Следуя установившейся традиции, будем использовать термины «проекция вектора», подразумевая скалярную проекцию, и «векторная проекция» - в соответствии с установленным смыслом.

Докажем теорему, позволяющую вычислять скалярную проекцию заданного вектора.

ТЕОРЕМА 5. Проекция вектора на ось L равна произведению его модуля на косинус угла между вектором и осью, то есть

(3.5)

Рис. 3.25. Нахождение векторной и скалярной
Проекций вектора на ось L
( и ось L одинаково ориентированы).

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО . Выполним предварительно построения, позволяющие найти угол G Между вектором и осью L. Для этого построим прямую MN, параллельную оси L и проходящую через точку О - начало вектора (рис. 3.25). Угол и будет искомым углом. Проведем через точки А и О две плоскости, перпендикулярные оси L. Получим:

Так как ось L и прямая MN параллельны.

Выделим два случая взаимного расположения вектора и оси L.

1. Пусть векторная проекция и ось L одинаково ориентированны (рис. 3.25). Тогда соответствующая скалярная проекция .

2. Пусть и L ориентированы в разные стороны (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Нахождение векторной и скалярной проекций вектора на ось L ( и ось L ориентированы в противоположные стороны).

Таким образом, в обоих случаях справедливо утверждение теоремы.

ТЕОРЕМА 6. Если начало вектора приведено к некоторой точке оси L, и эта ось расположена в плоскости s, вектор образует с векторной проекцией на плоскость s угол , а с векторной проекцией на ось L - угол , кроме того сами векторные проекции образуют между собой угол , то

Ответ:

Свойства проекций:

Свойства проекции вектора

Свойство 1.

Проекция суммы двух векторов на ось равна сумме проекций векторов на ту же ось:

Это свойство позволяет заменять проекцию суммы векторов суммой их проекций и наоборот.

Свойство 2. Если вектор умножается на число λ, то его проекция на ось также умножается на это число:

Свойство 3.

Проекция вектора на ось l равна произведению модуля вектора на косинус угла между вектором и осью:

Орт оси. Разложение вектора по координатным ортам. Координаты вектора. Свойства координат

Ответ:

Орты осей.

Прямоугольная система координат (любой размерности) также описывается набором ортов, сонаправленных с осями координат. Количество ортов равно размерности системы координат и все они перпендикулярны друг другу.

В трёхмерном случае орты обычно обозначаются

И Могут также применяться обозначения со стрелками и

При этом в случае правой системы координат действительны следующие формулы с векторными произведениями ортов:

Разложение вектора по координатным ортам.

Орт координатной оси обозначается через , оси - через , оси - через (рис. 1)

Для любого вектора который лежит в плоскости имеет место следующее разложение:

Если вектор расположен в пространстве, то разложение по ортам координатных осей имеет вид:

Координаты вектора:

Чтобы вычислить координаты вектора, зная координаты (x1; y1) его начала A и координаты (x2; y2) его конца B, нужно из координат конца вычесть координаты начала: (x2 – x1; y2 – y1).

Свойства координат.

Рассмотрим координатную прямую с началом координат в точке О и единичным вектором i. Тогда для любого вектора a на этой прямой: a = axi.

Число ax называется координатой вектора a на координатной оси.

Свойство 1. При сложении векторов на оси их координаты складываются.

Свойство 2. При умножении вектора на число его координата умножается на это число.

Скалярное произведение векторов. Свойства.

Ответ:

Скалярным произведением двух ненулевых векторов называется число,

равное произведению этих векторов на косинус угла между ними.

Свойства:

1. Скалярное произведение обладает переместительным свойством: ab=bа

Скалярное произведение координатных ортов. Определение скалярного произведения векторов, заданных своими координатами.

Ответ:

Скалярное произведение (×) орты

(X)	I	J	K
I
J
K

Определение скалярного произведения векторов, заданных своими координатами.

Скалярное произведение двух векторов и заданных своими координатами, может быть вычислено по формуле

Векторное произведение двух векторов. Свойства векторного произведения.

Ответ:

Три некомпланарных вектора образуют правую тройку если с конца третьего поворот от первого вектора ко второму совершается против часовой стрелки. Если по часовой – то левую., если нет то в противоположном (показать как он показывал с «ручками»)

Векторным произведением вектора а на векторb называется вектор с который:

1. Перпендикулярен векторам а иb

2. Имеет длину, численно равную площади параллелограмма, образованного на a и b векторах

3. Векторы, a ,b , и c образуют правую тройку векторов

Свойства:

Векторное произведение координатных ортов. Определение векторного произведения векторов, заданных своими координатами.

Ответ:

Векторное произведение координатных ортов.

Определение векторного произведения векторов, заданных своими координатами.

Пусть векторы а = (х1; у1; z1) и b = (х2; у2; z2) заданы своими координатами в прямоугольной декартовой системе координат О, i, j, k, причем тройка i, j, k является правой.

Разложим а и b по базисным векторам:

а = x 1 i + y 1 j + z 1 k, b = x 2 i + y 2 j + z 2 k.

Используя свойства векторного произведения, получаем

[а; b] = =

= x 1 x 2 + x 1 y 2 + x 1 z 2 +

+ y 1 x 2 + y 1 y 2 + y 1 z 2 +

+ z 1 x 2 + z 1 y 2 + z 1 z 2 . (1)

По определению векторного произведения находим

= 0, = k, = - j,

= - k, = 0, = i,

= j, = - i. = 0.

Учитывая эти равенства, формулу (1) можно записать так: