2.3.2 平面向量的正交分解及坐标表示教学设计及课堂实录

第二章

平面向量

2.3.2平面向量的正交分解及坐标表示

一、教学目标：

1、掌握平面向量基本定理．体会它是应用向量解决实际问题的重要思想方法．能够在具体问题中适当地选取基底，使其他向量都能够用基底来表达．

2、能理解正交分解是平面向量基本定理在互相垂直的基底之下的特殊分解，体会从一般到特殊的思想方法。

3、会把向量正交分解，并用坐标表示向量．理解点的坐标和向量坐标表示的联系与区别。

二．重点难点：

重点：平面向量的正交分解、平面向量的坐标表示。

难点：平面向量基本定理到向量坐标表示的过程。

三、教材与学情分析

平面向量基本定理既是本大节的重点又是本节的难点．平面向量基本定理告诉我们同一平面内任一向量都可表示为两个不共线向量的线性组合。在不共线的两个向量中，垂直是一种重要的特殊情形，向量的正交分解是向量分解中常用且重要的一种分解，因为在平面上，如果选取互相垂直的向量作为基底时，会给问题的研究带来方便．联系平面向量基本定理和向量的正交分解，由点在直角坐标系中的表示得到启发，要在平面直角坐标系中表示一个向量，最方便的是分别取与x轴、y轴方向相同的两个单位向量i、j作为基底，这时，对于平面直角坐标系内的一个向量a，由平面向量基本定理可知，有且只有一对实数x、y，使得a＝xi＋yj.于是，平面内的任一向量a都可由x、y唯一确定，而有序数对(x，y)正好是向量a的终点的坐标，这样的“巧合”使平面直角坐标系内的向量与坐标建立起一一映射，从而实现向量的“量化”表示，使我们在使用向量工具时得以实现“有效能算”的思想．

四、教学方法

问题引导，主动探究，启发式教学．

五、教学过程

（一）导入新课

在物理学中我们知道，力是一个向量，力的合成就是向量的加法运算．而且力是可以分解的，任何一个大小不为零的力，都可以分解成两个不同方向的分力之和．这也就是我们上一节学的平面向量基本定理：

如果e1、e2是同一平面内的两个不共线向量，那么对于这一平面内的任意向量a，有且只有一对实数λ1、λ2，使a＝λ1e1＋λ2e2. 定理说明：(1)我们把不共线向量e1、e2叫做表示这一平面内所有向量的一组基底；

(2)基底不唯一，关键是不共线；

(3)由定理可将任一向量a在给出基底e1、e2的条件下进行分解；

(4)基底给定时，分解形式唯一．

又如一个放在斜面上的物体所受的竖直向下的重力G，可分解为使物体沿斜面下滑的力F1和使物体垂直于斜面且压紧斜面的力F2.我们知道飞机在起飞时若沿仰角α的方向起飞的速度为v，可分解为沿水平方向的速度vcosα和沿竖直方向的速度vsinα.从这两个实例可以看出，把一个向量分解在两个互相垂直的方向上，是解决问题的一种十分重要的手段。那数学中怎么解决这种特殊的分解呢？我们用数学工具又怎么表示它呢？

（二）探究新知

由平面向量的基本定：对平面上的任意向量a，均可以分解为不共线的两个向量λ1a1和λ2a2，使a＝λ1a1＋λ2a2. 在不共线的两个向量中，垂直是一种重要的情形．把一个向量分解为两个互相垂直的向量，叫做把向量正交分解．例如，重力G沿互相垂直的两个方向分解就是正交分解，正交分解是向量分解中常见的一种情形．

在平面上，如果选取互相垂直的向量作为基底时，会为我们研究问题带来方便．

问题：

①我们知道，在平面直角坐标系中，每一个点都可用一对有序实数即它的坐标表示。

那么，对直角坐标平面内的每一个向量，如何表示呢？

②在平面直角坐标系中，一个向量和坐标是否是一一对应的？

活动：如图3，在平面直角坐标系中，分别取与x轴、y轴方向相同的两个单位向量i、j作为基底．对于平面内的一个向量a，由平面向量基本定理可知，有且只有一对实数x、y，使得

图3 a＝xi＋yj. ①

这样，平面内的任一向量a都可由x、y唯一确定，我们把有序数对(x，y)叫做向量a的坐标，记作a＝(x，y)． ②

其中x叫做a在x轴上的坐标，y叫做a在y轴上的坐标，②式叫做向量的坐标表示．显然，i＝(1,0)，j＝(0,1)，0＝(0,0)．教师引导学生特别注意以下几点：

(1)向量a与有序实数对(x，y)一一对应．

(2)向量a的坐标与表示该向量的有向线段的起点、终点的具体位置没有关系，只与其相对→位置有关系．如图所示，A1B1是表示a的有向线段，A1、B1的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)，则向量a的坐标为x＝x2－x1，y＝y2－y1，即a的坐标为(x2－x1，y2－y1)．

(3)为简化处理问题的过程，把坐标原点作为表示向量a的有向线段的起点，这时向量a的坐标就由表示向量a的有向线段的终点唯一确定了，即点A的坐标就是向量a的坐标，流程表示如下：

a＝xi＋yj⇔ax，y→⇔a＝OA，Ax，y

讨论结果：①平面内的任一向量a都可由x、y唯一确定，我们把有序数对(x，y)叫做向量a的坐标，记作a＝(x，y)．

②是一一对应的．

（三）

应用示例

1→→例1如图4，在ABCD中，AB＝a，AD＝b，H、M是AD、DC的中点，F使BF＝BC，以a，b3→→为基底分解向量AM与HF.

图4 活动：教师引导学生利用平面向量基本定理进行分解，让学生自己动手、动脑．教师可以让学生到黑板上板书步骤，并对书写认真且正确的同学提出表扬，对不能写出完整解题过程的同学给予提示和鼓励．

1→→→→1→→1→解：由H、M、F所在位置，有AM＝AD＋DM＝AD＋DC＝AD＋AB＝b＋a. 2221→→→→→→→1→1→→1→1→HF＝AF－AH＝AB＋BF－AH＝AB＋BC－AD＝AB＋AD－AD＝a－b. 32326→→→→点评：以a、b为基底分解向量AM与HF，实为用a与b表示向量AM与HF.

变式训练1.已知向量e1、e2(如图5(1))，求作向量－2.5e1＋3e2.

图5 →→作法：(1)如图5(2)，任取一点O，作OA＝－2.5e1，OB＝3e2. (2)作OACB. →故OC就是求作的向量. 例2如图6，分别用基底i、j表示向量a、b、c、d，并求出它们的坐标．

图6 活动：本例要求用基底i、j表示a、b、c、d，其关键是把a、b、c、d表示为基底i、j的线性组合．一种方法是把a正交分解，看a在x轴、y轴上的分向量的大小．把向量a用i、j表示出来，进而得到向量a的坐标．另一种方法是把向量a移到坐标原点，则向量a终点的坐标就是向量a的坐标．同样的方法，可以得到向量b、c、d的坐标．另外，本例还可以通过四个向量之间位置的几何关系：a与b关于y轴对称，a与c关于坐标原点中心对称，a与d关于x轴对称等．由一个向量的坐标推导出其他三个向量的坐标．

→→解：由图可知，a＝AA1＋AA2＝xi＋yj，∴a＝(2,3)．

同理，b＝－2i＋3j＝(－2,3)；c＝－2i－3j＝(－2，－3)；d＝2i－3j＝(2，－3)．

点评：本例还可以得到启示，要充分运用图形之间的几何关系，求向量的坐标. →→→变式训练2.i，j是两个不共线的向量，已知AB＝3i＋2j，CB＝i＋λj，CD＝－2i＋j，若A、B、D三点共线，试求实数λ的值．

→→→解：∵BD＝CD－CB＝(－2i＋j)－(i＋λj)＝－3i＋(1－λ)j，

又∵A、B、D三点共线，

→→→→∴向量AB与BD共线．因此存在实数υ，使得AB＝υBD，

即3i＋2j＝υ[－3i＋(1－λ)j]＝－3υi＋υ(1－λ)j. ∵i与j是两个不共线的向量，

33,1,(1)2,3.故∴∴当A、B、D三点共线时，λ＝3. 让学生试用坐标的形式解答此题，目的让学生体会坐标的便捷性。

例3下面三种说法：①一个平面内只有一对不共线向量可作为表示该平面的基底；②一个平面内有无数多对不共线向量可作为该平面所有向量的基底；③零向量不可以作为基底中的向量，其中正确的说法是( ) A．①② B．②③ C．①③ D．①②③

活动：这是训练学生对平面向量基本定理的正确理解，教师引导学生认真地分析和理解平面向量基本定理的真正内涵．让学生清楚在平面中对于基底的选取是不唯一的，只要是同一平面内的两个不共线的向量都可以作为基底．

解析：平面内向量的基底是不唯一的．在同一平面内任何一组不共线的向量都可作为平面内所有向量的一组基底；而零向量可看成与任何向量平行，故零向量不可作为基底中的向量．综上所述，②③正确．

答案：B 点评：本题主要考查的是学生对平面向量定理的理解．

→→→例4.如图7，M是△ABC内一点，且满足条件AM＋2BM＋3CM＝0，延长CM交AB于N，

→→令CM＝a，试用a表示CN.

图7 活动：平面向量基本定理是平面向量的重要定理，它是解决平面向量计算问题的重要工具．由平面向量基本定理，可得到下面两个推论：

推论1：e1与e2是同一平面内的两个不共线向量，若存在实数λ1、λ2，

使得λ1e1＋λ2e2＝0，则λ1＝λ2＝0. 推论2：e1与e2是同一平面内的两个不共线向量，若存在实数a1，a2，b1，b2，

a1＝b1，使得a＝a1e1＋a2e2＝b1e1＋b2e2，则a2＝b2.

→→→→→→解：∵AM＝AN＋NM，BM＝BN＋NM，

→→→→→→→→∴由AM＋2BM＋3CM＝0，得(AN＋NM)＋2(BN＋NM)＋3CM＝0. →→→→∴AN＋3NM＋2BN＋3CM＝0.又∵A、N、B三点共线，C、M、N三点共线，

→→→→由平行向量基本定理，设AN＝λBN，CM＝μNM，

→→→→→→∴λBN＋3NM＋2BN＋3μNM＝0.∴(λ＋2)BN＋(3＋3μ)NM＝0. →→由于BN和NM不共线，

λ＋2＝0，∴3＋3μ＝0.

λ＝－2，∴μ＝－1.

→→→→→→→∴CM＝－NM＝MN. ∴CN＝CM＋MN＝2CM＝2a. →→点评：这里选取BN，NM作为基底，运用化归思想，把问题归结为λ1e1＋λ2e2＝0的形式来解决. 变式训练3.设e1与e2是两个不共线向量，a＝3e1＋4e2，b＝－2e1＋5e2，若实数λ、μ满足λa＋μb＝5e1－e2，求λ、μ的值．

解：由题设λa＋μb＝(3λe1＋4λe2)＋(－2μe1＋5μe2)＝(3λ－2μ)e1＋(4λ＋5μ)e2. 又λa＋μb＝5e1－e2. 325,451.由平面向量基本定理，知

解之，得λ＝1，μ＝－1. （例4如果时间不够就不上了，实验班和普通版的掌握程度不同，所以因班而异）

六、课堂小结

1．先由学生回顾本节学习的数学知识：平面向量的基本定理的深度理解，平面向量的正交分解，平面向量的坐标表示。

2．教师与学生一起总结本节学习的数学方法与思想，如待定系数法、定义法、归纳与类比、数形结合。

几何作图．

七、课后作业

1.课时练与测

八、教学反思

1．本节课内容是为了研究向量方便而引入的一个新定理——平面向量基本定理．教科书首先通过“思考”：让学生思考对于平面内给定的任意两个向量进行加减的线性运算时所表示的新向量有什么特点，反过来，对平面内的任意向量是否都可以用形如λ1e1＋λ2e2的向量表示．

2．通过对平面向量基本定理的理解，探究当基地特殊化得情形，从而顺势引进正交分解，引导学生理解它是一种特殊的分解，也是常用且方便的分解，引导学生理解“化归”思想对解题的帮助，也要让学生善于用“数形结合”的思想来探索用坐标表示向量的过程和方法。

3．整节课的教学主线应以学生练习为主，教师给予引导和提示．充分让学生经历分析、探究并解决实际问题的过程，这也是学习数学，领悟思想方法的最好载体．学生这种经历的实践活动越多，解决实际问题的方法就越恰当而简捷．另外所选例题详略得当，重点放在向量的坐标表示，其他题学生说思路即可。