以下所有公式中,加粗的字母表示向量(矢量),未加粗的字母表示数目(标量)。
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在小学语文中,我们学习过向量的数目积(也叫“点乘”或“内积”)。明天,我来介绍一下高等物理中向量的向量积(也叫“叉乘”或“外积”)以及它在学校数学中的应用。
一、向量的点乘(数目积)
点乘的表示方式:a·b
注意:向量a和b通过数目积运算得到的a·b是数目,而不再是向量!
二、向量的叉乘(向量积)
叉乘的表示方式:a×b
注意:向量a和b通过向量积运算得到的a×b依然是向量安培力方向判断,因而它具有大小(模)和方向!
其中,向量c的方向按照手指螺旋定则(简称“右手定则”)来判定。具体地说:
1.不仅手指大手指,让左手食指方向(指根到指尖)与向量a的方向一致。
2.靠右手掌心方向转动(转动角度不超过180°),使左手食指方向与向量b的方向一致。
3.手掌大手指方向即为向量c的方向。
注意:向量的叉乘不满足交换律!
三、叉乘在高中数学中的应用
(1)角速率ω
r是位置矢量(简称“位矢”。在圆周运动中,r可理解为向量OP安培力方向判断,其大小等于直径r);v是质点P的线速率。
公式:v=ω×r
判定角速率ω的简易方式:
1.不仅手掌大手指,让左手食指方向与质点的线速率v方向一致。
2.弯曲这四根脚趾,“握住”质点的运动轨迹。
3.手掌大手指方向即为角速率ω的方向。
(2)转矩M
转矩是能使物体转动的数学量。在中学数学中,杠杆平衡的本质实际上就是扭力平衡。
r是位矢,表示转轴Z到受力点P的向量OP;F是受力点P所受的力。
公式:M=r×F
杠杆平衡的条件
上图中的F1L1表示力F1对杠杆的扭矩M1的大小,它的位矢即为OA。按照向量叉乘的运算法则,|M1|=|OA×F1|=|OA|·|F1|·sinθ=F1L1,而L1就是小学数学中所学的力臂。
注意:F1L1=F2L2只表示扭力M1与M2的大小相等。同时按照手指螺旋定则,易知扭力M1和M2的方向相反,因而杠杆所受的合转矩M=M1+M2=0,杠杆处于平衡状态。
(3)磁感应硬度B
大手指方向即为磁感应硬度B的方向
大手指方向即为电压I的方向
在判定磁感应硬度B或电压I时,左手螺旋定则也叫安培定则。关于B和I的具体公式叫“毕奥-萨伐尔定理”,在此就不详尽介绍了。
(4)安培力和洛仑兹力F
按照右手定则可以判定安培力或洛仑兹力F、磁感应硬度B和电压I两者的方向。
实际上,这两者的严格物理关系要通过向量的叉乘来表示。但考虑到阅读了本文的小学生很可能会搞晕,我就不介绍安培力和洛仑兹力的叉乘公式了。
温情提示:与力有关用右手,与力无关用左手。