Yêu cầu cần đạt

  • Thực hiện các phép toán cộng, trừ vectơ.
  • Mô tả trung điểm của đoạn thẳng, trọng tâm của tam giác bằng vecto.
  • Vận dụng vectơ trong bài toán tổng hợp lực, tổng hợp vận tốc.

Thuật ngữ: Tổng của hai vecto · Hiệu của hai vecto · Vectơ đối

Một con tàu chuyển động từ bờ bên này sang bờ bên kia của một dòng sông với vận tốc riêng không đồi. Giả sử vận tốc dòng nước là không đổi và đáng kể, các yếu tố bên ngoài khác không ảnh hưởng đến vận tốc thực tế của tàu. Nếu không quan tâm đến điểm đến thì cần giữ lái cho tàu tạo với bờ sông một góc bao nhiêu để tàu sang bờ bên kia được nhanh nhất?

Vận tốc thực tế của con tàu trên sông đối với bờ phụ thuộc vào vận tốc riêng của tàu (đối với dòng nước) và vận tốc của dòng nước (đối với bờ). Tương tự, một vật thường chịu tác động của nhiều lực. Ta đã biết dùng vectơ để biểu diễn các đại lượng đó; bài học này xây dựng các phép toán vectơ, tương thích với việc tổng hợp vận tốc, tổng hợp và phân tích lực.

1. Tổng của hai vecto

HĐ1

Với hai vectơ a⃗, b⃗ cho trước, lấy một điểm A và vẽ các vectơ AB‾=a‾, BC‾=b‾. Lấy điểm A' khác A và cũng vẽ các vectơ A′B′=a, B′C′‾=b‾ Hỏi hai vectơ AC‾ và A′C′‾ có mối quan hệ gì?

Hình/bảng: Hình vẽ hai cặp vectơ (a, b) và (a', b') trên lưới ô vuông, tạo thành các vectơ tổng AC và A'C'.

Cho hai vecto a‾, b⃗. Lấy một điềm A tuỳ ý và vẽ AB‾=a‾, BC‾=b‾ (H.4.13). Khi đó vectơ AC‾ được gọi là tổng của hai vectơ a và b‾ và được kí hiệu là a⃗+b⃗ Phép lấy tổng của hai vectơ được gọi là phép cộng vecto.

HĐ2

Cho hình bình hành ABCD. Tìm mối quan hệ giữa hai vectơ AB‾+AD‾ và AC‾.

Hình/bảng: Hình vẽ một hình bình hành ABCD.

Quy tắc ba điểm: Với ba điểm bất kì A, B, C, ta có AB‾+BC‾=AC‾.

Quy tắc hình bình hành: Nếu ABCD là một hình bình hành thì AB‾+AD‾=AC‾.

HĐ3

a) Trong Hình 4.14a, hãy chỉ ra vectơ a⃗+b⃗ và vecto b⃗+a⃗.
b) Trong Hình 4.14b, hãy chỉ ra vectơ (a⃗+b⃗)+c⃗ và vecto a‾+(b‾+c‾).

Hình/bảng: Hình 4.14a: Minh họa phép cộng vectơ a+b và b+a trên lưới ô vuông. Hình 4.14b: Minh họa phép cộng vectơ (a+b)+c và a+(b+c) trên lưới ô vuông.

Với ba vectơ a, b, c⃗ tuỳ ý:

  • Tính chất giao hoán: a⃗+b⃗=b⃗+a⃗;
  • Tính chất kết hợp: (a⃗+b⃗)+c⃗=a⃗+(b⃗+c⃗);
  • Tính chất của vectơ-không: a⃗+0⃗=0⃗+a⃗=a⃗.
Chú ý

Do các vectơ (a⃗+b⃗)+c⃗ và a⃗+(b⃗+c⃗) bằng nhau, nên ta còn viết chúng dưới dạng a⃗+b⃗+c⃗ và gọi là tổng của ba vecto a, b⃗. c. Tương tự, ta cũng có thể viết tồng của một số vectơ mà không cần dùng các dấu ngoặc.

Ví dụ 1

Dạng bài: Tính độ dài vectơ tổng

Cho hình vuông ABCD với cạnh có độ dài bằng 1. Tinh độ dài của các vecto AB + CB, AB‾+DC‾+BD‾.

Hình/bảng: Hình vẽ một hình vuông ABCD.

Lời giải

Giải
Do AB⃗=DC⃗ nên AB⃗+CB⃗=DC⃗+CB⃗=DB⃗.
Vậy ∣AB⃗+CB⃗∣=∣DB⃗∣=DB=2.
Ta có AB⃗+DC⃗+BD⃗=(AB⃗+BD⃗)+DC⃗=AD⃗+DC⃗=AD⃗+DC⃗=AC⃗.
Do đó ∣AB⃗+DC⃗+BD⃗∣=AC=2.

Luyện tập 1

Cho hình thoi ABCD với cạnh có độ dài bằng 1 và BAD‾=120∘ Tính độ dài của các vecto CB⃗+CD⃗,DB⃗+CD⃗+BA⃗.

Hình/bảng: Hình vẽ một hình thoi ABCD với góc BAD = 120 độ.

2. Hiệu của hai vecto

Hình ảnh hai đội kéo co.

HĐ4

Thế nào là hai lực cân bằng? Nếu dùng hai vectơ để biểu diễn hai lực cân bằng thì hai vectơ này có mối quan hệ gì với nhau?

  • Vectơ có cùng độ dài và ngược hướng với vectơ a⃗ được gọi là vectơ đối của vecto a. Vectơ đối của a được kí hiệu là -a.
  • Vectơ 0⃗ được coi là vectơ đối của chính nó.
Chú ý

Hai vectơ đối nhau khi và chỉ khi tổng của chúng bằng 0⃗

Vecto a‾+(−b‾) được gọi là hiệu của hai vectơ a‾ và b⃗ và được kí hiệu là a⃗−b⃗. Phép lấy hiệu hai vectơ được gọi là phép trừ vectơ.

Chú ý

Nếu b⃗+c⃗=a⃗ thì a⃗−b⃗=a⃗+(−b⃗)=c⃗+b⃗+(−b⃗)=c⃗+0⃗=c⃗. Với ba điểm O, M, N tuỳ y^ ta có MN‾=MO‾+ON‾=(−OM‾)+ON‾=ON‾−OM‾.

Quy tắc hiệu: Với ba điểm O, M, N, ta có MN‾=ON‾−OM‾.

Ví dụ 2

Dạng bài: Chứng minh đẳng thức vectơ

Cho hình bình hành ABCD và một điểm bất kì. Chứng minh rằng OB‾−OA‾=OC‾−OD‾.

Lời giải

Giải
Áp dụng quy tắc hiệu, ta có OB⃗−OA⃗=AB⃗,OC⃗−OD⃗=DC⃗.
Mặt khác AB⃗=DC⃗ nên OB⃗−OA⃗=OC⃗−OD⃗.

Ví dụ 3

Dạng bài: Chứng minh đẳng thức vectơ liên quan đến trung điểm và trọng tâm

a) Chứng minh rằng nếu / là trung điểm của đoạn thẳng AB thì IA⃗+IB⃗=0⃗.
b) Chứng minh rằng nếu G là trọng tâm của tam giác ABC thì GA‾+GB‾+GC‾=0‾.

Hình/bảng: Hình 4.15: Đoạn thẳng AB với I là trung điểm. Hình 4.16: Tam giác ABC với trọng tâm G và các điểm liên quan.

Lời giải

Giải
a) (H.4.15) Khi / là trung điểm của AB, thì hai vecto IA và IB có cùng độ dài và ngược hướng (H.4.15). Do đó, IA‾ và IB đối nhau, suy ra IA⃗+IB⃗=0⃗.
b) (H.4.16) Trọng tâm G của tam giác ABC thuộc trung tuyến Al và GA=2Gl. Lấy điểm D đối xứng với G qua 1. Khi đó tứ giác GBDC có hai đường chéo cắt nhau tại trung điểm của mỗi đường nên nó là một hình bình hành. Ta có GA=2GI=GD.
Hai vectơ GA‾ và GD‾ có cùng độ dài và ngược hướng nên chúng là hai vectơ đối nhau, do đó GA‾+GD‾=0‾.
Trong hình bình hành GBDC, ta có GB⃗+GC⃗=GD⃗.
Vậy GA‾+GB‾+GC‾=GA‾+GD‾=0⃗.

Luyện tập 2

Cho tứ giác ABCD. Gọi M, N lần lượt là trung điểm của các cạnh AB, CD và O là trung điểm của MN. Chứng minh rằng OA⃗+OB⃗+OC⃗+OD⃗=0⃗.

Chú ý

Phép cộng vectơ tương ứng với các quy tắc tổng hợp lực, tổng hợp vận tốc:

  • Nếu hai lực cùng tác động vào chất điểm A và được biểu diễn bởi các vectơ u1, u2 thì hợp lực tác động vào A được biểu diễn bởi vectơ u⃗1+u⃗2.
  • Nếu một con thuyền di chuyển trên sông với vận tốc riêng (vận tốc so với dòng nước) được biểu diễn bởi vecto V‾r và vận tốc của dòng nước (so với bờ) được biểu diễn bởi vectơ Vn‾ thì vận tốc thực tế của thuyền (so với bờ) được biểu diễn bởi vectơ V⃗T+V⃗n.

Trong Vật lí, trọng tâm của một vật là điểm đặt của trọng lực tác dụng lên vật đó. Đối với một vật mỏng hình đa giác A1A2...An thì trọng tâm của nó là điểm G thoả mãn GA1‾+GA2‾+⋅⋅⋅+GAn‾=0‾.

Ví dụ 4

Dạng bài: Giải bài toán vận tốc bằng vectơ

Hãy giải bài toán trong tình huống mở đầu.

Hình/bảng: Hình 4.17: Minh họa tàu di chuyển trên sông, với các vectơ vận tốc riêng (Vr) và vận tốc dòng nước (Vn), tạo thành vận tốc thực tế (V).

Lời giải

Giải
Ta biểu thị hai bờ sông là hai đường thẳng song song d1 d2 (H.4.17). Giả sử tàu xuất phát từ A∈d1 và bánh lái luôn được giữ đề tàu tạo với bờ góc a. Gọi vr và vn‾ lần lượt là vectơ vận tốc riêng của tàu và vận tốc dòng nước. Gọi M, N là các điểm sao cho Vr⃗=AM‾, Vn⃗=MN⃗.
Khi đó tàu chuyển động với vectơ vận tốc thực tế là V⃗=Vr⃗+Vn⃗=AM‾+MN‾=AN‾.
Gọi B, C tương ứng là giao điểm của AN, AM với d2. Tàu chuyền động thẳng từ A đến B với vectơ vận tốc thực tế AN‾, do đó thời gian cần thiết đề tàu sang được bờ d2 là ABAN=ACAM
Mặt khác, AM=∣vr‾∣ không đồi nên ACAM nhỏ nhất   ⟺  AC nhỏ nhất ⇔AC⊥d2⇔AM⊥d2 .
Vậy để tàu sang được bờ bên kia nhanh nhất, ta cần giữ bánh lái để tàu luôn vuông góc với bờ.

Vận dụng

Dạng bài: Tính lực kéo

Tính lực kéo cần thiết để kéo một khẩu pháo có trọng lượng 22 148 N (ứng với khối lượng xấp xỉ 2 260 kg) lên một con dốc nghiêng 30∘ so với phương nằm ngang (H.4.18). Nếu lực kéo của mỗi người bằng 100 N, thì cần tối thiểu bao nhiêu người để kéo pháo?

Hình/bảng: Hình 4.18: Minh họa một khẩu pháo trên dốc nghiêng 30 độ, với các vectơ lực P (trọng lực), W (phản lực), F (lực kéo).

Chú ý

Ta coi khẩu pháo chịu tác động của ba lực: trọng lực P‾ (có độ lớn ∣P⃗∣=22148N có phương vuông góc với phương nằm ngang và hướng xuống dưới), phản lực w⃗ (có độ lớn ∣W‾∣=∣P‾∣cos30∘ có phương vuông góc với mặt dốc và hướng lên trên) và lực kéo F (theo phương dốc, hướng từ chân dốc lên đỉnh dốc).

Bài tập

4.6

Cho bốn điểm A, B, C, D. Chứng minh rằng:
a) AB‾+BC‾+CD‾+DA‾=0‾;
b) $\overline{AC}-\overline{AD}=\overline{BC}-\overline{BD}

4.7

Cho hình bình hành ABCD. Hãy tìm điểm M đề BM‾=AB‾+AD‾. Tìm mối quan hệ giữa hai vecto CD‾ và CM‾.

4.8

Cho tam giác đều ABC có cạnh bằng a. Tính độ dài của các vecto AB‾−AC‾, AB‾+AC‾.

4.9

Hình 4. 19 biểu diễn hai lực F, F2 cùng tác động lên một vật, cho ∣F‾1∣=3N ∣F2‾∣=2 N. Tính độ lớn của hợp lực F‾1+F‾2.

Hình/bảng: Hình 4.19: Hai vectơ lực F1 và F2 tác động lên một điểm, tạo góc 120 độ giữa chúng.

4.10

Hai con tàu xuất phát cùng lúc từ bờ bên này để sang bờ bên kia của dòng sông với vận tốc riêng không đồi và có độ lớn bằng nhau. Hai tàu luôn được giữ lái sao cho chúng tạo với bờ cùng một góc nhọn nhưng một tàu hướng xuống hạ lưu, một tàu hướng lên thượng nguồn (hình bên). Vận tốc dòng nước là đáng kể, các yếu tố bên ngoài khác không ảnh hưởng tới vận tốc của các tàu. Hỏi tàu nào sang bờ bên kia trước?

Hình/bảng: Hình ảnh hai con tàu đang di chuyển trên sông, một tàu hướng xuống hạ lưu, một tàu hướng lên thượng nguồn.

Xem bản PDF nguyên trang sách: Toán 10 tập 1 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 51–54).