חישוב זוויות במרחב בכלים וקטוריים וטריגונומטריים

30%
📖שיעור
60 דקות

חישוב זוויות במרחב בכלים וקטוריים וטריגונומטריים

מגדירים ומחשבים זוויות במרחב: בין שני ישרים ובין שני מישורים דרך cosθ=uv/(uv)\cos \theta =|u \cdot v|/(|u||v|), ובין ישר למישור דרך sinθ=dn/(dn)\sin \theta =|d \cdot n|/(|d||n|). מדגישים את הערך המוחלט (זווית חדה) ואת המעבר ל-sin\sin בזווית ישר-מישור, ומשווים את הכלי הווקטורי לכלי הטריגונומטרי.

חישוב זוויות במרחב בכלים וקטוריים וטריגונומטריים

מבוא

זהו שיא הפרק. עד כה תיארנו ישרים ומישורים וחישבנו מרחקים; כעת נמדוד זוויות ביניהם. המכפלה הסקלרית, שהכרנו בשיעור הראשון, היא הכלי המרכזי — היא קושרת בין רכיבי הווקטורים לבין הזווית שביניהם. נלמד שלוש זוויות (ישר-ישר, מישור-מישור, ישר-מישור), נבין מתי משתמשים ב-cos ומתי ב-sin, ונשווה בין הגישה הווקטורית לגישה הטריגונומטרית.

מטרות השיעור

  • לחשב את הזווית בין שני ישרים דרך וקטורי הכיוון
  • לחשב את הזווית בין שני מישורים דרך וקטורי הנורמל
  • לחשב את הזווית בין ישר למישור — ולהבין מדוע כאן מופיע סינוס ולא קוסינוס
  • להבין את תפקיד הערך המוחלט (זווית חדה, בין ל-90°)
  • לבחור בין כלי וקטורי לכלי טריגונומטרי לפי הבעיה

הרעיון המרכזי

הבסיס: המכפלה הסקלרית והזווית

לכל שני וקטורים מתקיים ולכן . כל נוסחאות הזוויות בשיעור נובעות מכאן.

זווית בין שני ישרים ובין שני מישורים

שני ישרים: הזווית ביניהם נלקחת חדה (בין ל-90°). משתמשים בכיווני הישרים ומוסיפים ערך מוחלט:

שני מישורים: הזווית בין מישורים שווה לזווית (החדה) בין הנורמלים שלהם:

הערך המוחלט מבטיח תוצאה בין ל-90° גם כאשר המכפלה הסקלרית שלילית.

זווית בין ישר למישור — מדוע סינוס?

נסמן ב- את הזווית בין וקטור הכיוון לבין הנורמל . אך הנורמל ניצב למישור, ולכן הזווית בין הישר למישור עצמו היא המשלימה: . מכאן

זו הנקודה העדינה ביותר בשיעור: בזווית ישר-מישור מחשבים את היחס ומפעילים עליו arcsin (ולא arccos).

כלי וקטורי מול כלי טריגונומטרי

לבעיה מרחבית אפשר לגשת בשני אופנים. בגישה הווקטורית מזהים וקטורי כיוון/נורמל ומיישמים את הנוסחאות שלמעלה — מהיר ומדויק כשהקואורדינטות נתונות. בגישה הטריגונומטרית מזהים משולש ישר-זווית מתאים בתוך הגוף (למשל בין מקצוע, אלכסון והיטל) ומשתמשים ב-sin, cos, tan. בגופים (תיבה, פירמידה) הגישה הטריגונומטרית לעיתים אינטואיטיבית יותר; כשהכול נתון בקואורדינטות — הגישה הווקטורית יעילה יותר. שתיהן חייבות לתת אותה תוצאה.


דוגמאות מפורטות

דוגמה 1: זווית בין שני ישרים

מצאו את הזווית בין הישרים שכיווניהם d1=(1,1,0)d_{1}=(1,1,0) ו-d2=(0,1,1)d_{2}=(0,1,1).

1

שלב 1 — מכפלה סקלרית

d1d2=10+11+01=1d_{1} \cdot d_{2} = 1 \cdot 0 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 1.
תשובה מספרית

חשבו (במעלות) את הזווית בין שני ישרים שווקטורי הכיוון שלהם הם d1=(1,1,0)d_{1}=(1,1,0) ו-d2=(0,1,1)d_{2}=(0,1,1).

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


דוגמה 2: זווית בין שני מישורים

מצאו את הזווית בין המישורים שהנורמלים שלהם n1=(1,1,0)n_{1}=(1,1,0) ו-n2=(1,0,1)n_{2}=(1,0,1).

1

שלב 1 — מכפלה סקלרית של הנורמלים

n1n2=11+10+01=1n_{1} \cdot n_{2} = 1 \cdot 1 + 1 \cdot 0 + 0 \cdot 1 = 1.

דוגמה 3: זווית בין ישר למישור (סינוס!)

מצאו את הזווית בין הישר שכיוונו d=(1,0,1)d=(1,0,1) למישור z=5(z=5 (נורמל (0,0,1))(0,0,1)).

זכרו: כאן arcsin, כי הזווית עם המישור משלימה לזווית עם הנורמל.

1

שלב 1 — מכפלה סקלרית כיוון·נורמל

dn=10+00+11=1d \cdot n = 1 \cdot 0 + 0 \cdot 0 + 1 \cdot 1 = 1.
בדיקה מהירה

כיצד מחשבים את הזווית θ\theta בין ישר (וקטור כיוון d) למישור (וקטור נורמל n)?

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם

תשובה מספרית

חשבו (במעלות) את הזווית בין הישר שכיוונו d=(1,0,1)d=(1,0,1) לבין המישור z=5(z = 5 (שהנורמל לו הוא (0,0,1))(0,0,1)).

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


דוגמה 4: זווית כללית עם arccos

מצאו את הזווית בין הישרים שכיווניהם d1=(2,1,2)d_{1}=(2,-1,2) ו-d2=(1,2,2)d_{2}=(1,2,2).

כשהיחס אינו ערך "יפה" (כמו 1/2 או 1/√2) — מפעילים arccos במחשבון ומעגלים.

1

שלב 1 — מכפלה סקלרית

d1d2=21+(1)2+22=22+4=4d_{1} \cdot d_{2} = 2 \cdot 1 + (-1) \cdot 2 + 2 \cdot 2 = 2 - 2 + 4 = 4.

בדיקה מהירה

תשובה מספרית

חשבו את הזווית (במעלות, מעוגל לשתי ספרות אחרי הנקודה) בין שני ישרים שווקטורי הכיוון שלהם הם d1=(2,1,2)d_{1}=(2,-1,2) ו-d2=(1,2,2)d_{2}=(1,2,2).

סטייה מותרת: ±0.5

כדי לבדוק, סמנו או הקלידו תשובה קודם


טעויות נפוצות

טעות נפוצה: שוכחים את הערך המוחלט ומקבלים זווית קהה

טעות: .

נכון: .

למה זה קורה?

כשהמכפלה הסקלרית שלילית,cos, \cos יוצא שלילי וה-arccos\arccos נותן זווית גדולה מ-9090^{\circ}.

איך מתקנים?

הזווית בין ישרים (ובין מישורים) נלקחת חדה. הוסיפו ערך מוחלט: cosθ=uv/(uv)\cos \theta = |u \cdot v|/(|u||v|).

טעות נפוצה: משתמשים ב-cos\cos במקום ב-sin\sin בזווית ישר-מישור

טעות: (זו הזווית לנורמל, לא למישור).

נכון: .

למה זה קורה?

מיישמים את אותה נוסחה כמו לזווית בין ישרים, בלי לשים לב שהנורמל ניצב למישור.

איך מתקנים?

הזווית עם המישור משלימה לזווית עם הנורמל, ולכן sinθ=dn/(dn)\sin \theta = |d \cdot n|/(|d||n|) — מפעילים arcsin\arcsin.

טעות נפוצה: מזהים את הזווית בין מישורים דרך נקודות במקום דרך הנורמלים

עבור x+y=3 ו-x+z=4: הנורמלים הם (1,1,0) ו-(1,0,1), ועליהם מפעילים את הנוסחה.

למה זה קורה?

מנסים לחשב זווית בין 'קצוות' או נקודות המישורים.

איך מתקנים?

הזווית בין שני מישורים שווה לזווית בין הנורמלים שלהם. זהו תחילה את (a,b,c) של כל מישור.

טעות נפוצה: מבלבלים בין הזווית בין הכיוונים לבין הזווית בין הישרים

הכיוונים (1,0,0) ו-(-1,1,0) יוצרים זווית , אך הזווית בין הישרים היא .

למה זה קורה?

הזווית בין וקטורי הכיוון יכולה להיות קהה, אך הזווית 'בין הישרים' תמיד חדה.

איך מתקנים?

ישר אינו מורה כיוון — היפוך וקטור הכיוון נותן את אותו ישר. לכן לוקחים תמיד את הזווית החדה (ערך מוחלט).

סיכום

מה למדנו?

זוויות במרחב:

  1. בין שני ישרים: .
  2. בין שני מישורים: (דרך הנורמלים).
  3. בין ישר למישור: (arcsin, כי משלים לזווית עם הנורמל).
  4. ערך מוחלט תמיד → זווית חדה (0°90°).
  5. אפשר לפתור גם בכלים טריגונומטריים; שתי הגישות נותנות אותה תוצאה.

בכך השלמנו את ההצגה האלגברית המלאה של וקטורים, ישרים ומישורים במרחב — הכלי לכל בעיה מרחבית בבגרות.


תרגול נוסף

עברו לתרגול כדי להתאמן על כל סוגי הזוויות במרחב!

תרגול