第2章ベクトル
We see from this expression that the unit vector of direction is indeed dimensionless because the numerator and the denominator in Equation 2.26 have the same physical unit. In this way, Equation 2.26 allows us to express the unit vector of direction in terms of unit vectors of the axes. The following example illustrates this principle.
英語のヒント
Example 2.14例題 2.14
The Unit Vector of Direction方向を表す単位ベクトル
If the velocity vector of the military convoy in Example 2.8 is , what is the unit vector of its direction of motion?
英語のヒント
例題2.8の軍の車列の速度ベクトルがであるとき、運動方向を表す単位ベクトルはいくらか。
Strategy方針
The unit vector of the convoy’s direction of motion is the unit vector that is parallel to the velocity vector. The unit vector is obtained by dividing a vector by its magnitude, in accordance with Equation 2.26.
英語のヒント
車列の運動方向を表す単位ベクトルは、速度ベクトルと平行な単位ベクトルである。式2.26に従い、ベクトルをその大きさで割ることで求める。
Solution解答
The magnitude of the vector is
英語のヒント
ベクトルの大きさは、次のようになる。
To obtain the unit vector , divide by its magnitude:
英語のヒント
単位ベクトルを得るには、をその大きさで割る。
Significance意味の検討
Note that when using the analytical method with a calculator, it is advisable to carry out your calculations to at least three decimal places and then round off the final answer to the required number of significant figures, which is the way we performed calculations in this example. If you round off your partial answer too early, you risk your final answer having a huge numerical error, and it may be far off from the exact answer or from a value measured in an experiment.
英語のヒント
計算機を使って解析的方法で計算するときは、小数第3位以上まで計算しておき、最後の答えを必要な有効数字の桁数に丸めるとよい。この例でもそうした。途中の答えを早すぎる段階で丸めると、最終結果に大きな数値誤差が生じ、厳密な答えや実験で測った値から大きく外れるおそれがある。
Summaryまとめ
- Analytical methods of vector algebra allow us to find resultants of sums or differences of vectors without having to draw them. Analytical methods of vector addition are exact, contrary to graphical methods, which are approximate.
英語のヒント
ベクトル代数の解析的方法を用いれば、作図せずに、ベクトルの和や差としての合ベクトルを求められる。ベクトル加算の解析的方法は厳密であり、近似的な作図法とは異なる。 - Analytical methods of vector algebra are used routinely in mechanics, electricity, and magnetism. They are important mathematical tools of physics.
英語のヒント
ベクトル代数の解析的方法は、力学、電気、磁気で日常的に使う。物理学の重要な数学的道具である。
Problems問題
Exercises 43–57練習問題 43–57
Exercise 43問題 43
For vectors and , calculate (a) and its magnitude and direction angle, and (b) and its magnitude and direction angle.
英語のヒント
ベクトルとについて、(a)とその大きさ、方向角、(b)とその大きさ、方向角を求めよ。
Solution解き方
a. , ; b. ,
(a)、。(b)、。
Exercise 44問題 44
A particle undergoes three consecutive displacements given by vectors , , and . (a) Find the resultant displacement vector of the particle. (b) What is the magnitude of the resultant displacement? (c) If all displacements were along one line, how far would the particle travel?
英語のヒント
粒子が、ベクトル、、で与えられる三つの変位を続けて行う。(a)粒子の合成変位ベクトルを求めよ。(b)合成変位の大きさはいくらか。(c)すべての変位が一本の直線に沿っていたなら、粒子はどれだけの距離を進むか。
Exercise 45問題 45
Given two displacement vectors and , find the displacements and their magnitudes for (a) and (b) .
英語のヒント
二つの変位ベクトルとが与えられている。(a)、(b)について、変位とその大きさを求めよ。
Solution解き方
a. ;
b.
b.
(a)。(b)。
Exercise 46問題 46
A small plane flies in a direction north of east and then flies in a direction north of east. Use the analytical method to find the total distance the plane covers from the starting point, and the geographic direction of its displacement vector. What is its displacement vector?
英語のヒント
小型飛行機が、東から北への方向に飛び、次に東から北への方向に飛ぶ。解析的方法を用い、出発点から飛行機までの全距離と、変位ベクトルの方位を求めよ。変位ベクトルはいくらか。
Exercise 47問題 47
In an attempt to escape a desert island, a castaway builds a raft and sets out to sea. The wind shifts a great deal during the day, and she is blown along the following straight lines: 2.50 km and north of west, then 4.70 km and south of east, then 1.30 km and south of west, then 5.10 km due east, then 1.70 km and east of north, then 7.20 km and south of west, and finally 2.80 km and north of east. Use the analytical method to find the resultant vector of all her displacement vectors. What is its magnitude and direction?
英語のヒント
無人島から脱出しようと、漂流者がいかだを作って海へ出る。一日の間に風が大きく変わり、次の直線経路に沿って流される。西から北への方向に2.50 km、東から南への方向に4.70 km、西から南への方向に1.30 km、真東へ5.10 km、北から東への方向に1.70 km、西から南への方向に7.20 km、最後に東から北への方向に2.80 km。解析的方法で、すべての変位ベクトルの合ベクトルを求めよ。その大きさと方向はいくらか。
Solution解き方
, is to the east, 7.34 km,
英語のヒント
。は東向き。7.34 km、。
Exercise 48問題 48
Assuming the +x-axis is horizontal to the right for the vectors given in the following figure, use the analytical method to find the following resultants: (a) , (b) , (c) , (d) , (e) , (f) , (g) , and (h) .
英語のヒント
次の図のベクトルについて、+x軸を水平右向きとする。解析的方法を使い、次の合ベクトルを求めよ。(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)。

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典
Figure 2.27図 2.27
Exercise 49問題 49
Given the vectors in the preceding figure, find vector that solves equations (a) and (b) . Assume the +x-axis is horizontal to the right.
英語のヒント
前の図のベクトルを用い、(a)、(b)を満たすベクトルを求めよ。+x軸を水平右向きとする。
Solution解き方
a. , b.
(a)、(b)。
Exercise 50問題 50
A delivery driver starts at the post office, drives 40 km north, then 20 km west, then 60 km northeast, and finally 50 km north to stop for lunch. Use the analytical method to determine the following: (a) Find his net displacement vector. (b) How far is the restaurant from the post office? (c) If he returns directly from the restaurant to the post office, what is his displacement vector on the return trip? (d) What is his compass heading on the return trip? Assume the +x-axis is to the east.
英語のヒント
配達の運転手が郵便局を出発し、北へ40 km、西へ20 km、北東へ60 km、最後に北へ50 km走り、昼食のために止まる。解析的方法で次を求めよ。(a)正味の変位ベクトル。(b)レストランと郵便局の距離。(c)レストランから郵便局へ直接戻る場合、帰路の変位ベクトルはいくらか。(d)帰路の進行方位はどちらか。+x軸を東向きとする。
Exercise 51問題 51
An adventurous dog strays from home, runs three blocks east, two blocks north, and one block east, one block north, and two blocks west. Assuming that each block is about a 100 yd, use the analytical method to find the dog’s net displacement vector, its magnitude, and its direction. Assume the +x-axis is to the east. How would your answer be affected if each block was about 100 m?
英語のヒント
冒険好きな犬が家を離れ、東へ3区画、北へ2区画、東へ1区画、北へ1区画、西へ2区画走る。各区画を約100 ydとして、解析的方法で犬の正味の変位ベクトル、その大きさと方向を求めよ。+x軸を東向きとする。各区画が約100 mなら、答えはどう変わるか。
Solution解き方
, D = 360.5 yd, north of east; The numerical answers would stay the same but the physical unit would be meters. The physical meaning and distances would be about the same because 1 yd is comparable with 1 m.
英語のヒント
、D = 360.5 yd、東から北へ。数値は同じままだが、物理単位がメートルになる。1 ydは1 mと同程度なので、物理的な意味と距離はほぼ同じである。
Exercise 52問題 52
If , , and , find the unknown constants a and b such that .
英語のヒント
、、のとき、となる未知の定数aとbを求めよ。
Exercise 53問題 53
Given the displacement vector find the displacement vector so that .
英語のヒント
変位ベクトルが与えられている。となる変位ベクトルを求めよ。
Solution解き方
Exercise 54問題 54
Find the unit vector of direction for the following vector quantities: (a) Force , (b) displacement , and (c) velocity .
英語のヒント
次のベクトル量について、方向を表す単位ベクトルを求めよ。(a)力、(b)変位、(c)速度。
Exercise 55問題 55
At one point in space, the direction of the electric field vector is given in the Cartesian system by the unit vector . If the magnitude of the electric field vector is E = 400.0 V/m, what are the scalar components , , and of the electric field vector at this point? What is the direction angle of the electric field vector at this point?
英語のヒント
空間内のある点で、電場ベクトルの方向が、デカルト座標系の単位ベクトルで与えられる。電場の大きさがE = 400.0 V/mなら、この点での電場ベクトルのスカラー成分、、はいくらか。また、この点の電場ベクトルの方向角はいくらか。
Solution解き方
, , , ,
Exercise 56問題 56
A barge is pulled by the two tugboats shown in the following figure. One tugboat pulls on the barge with a force of magnitude 4000 units of force at above the line AB (see the figure) and the other tugboat pulls on the barge with a force of magnitude 5000 units of force at below the line AB. Resolve the pulling forces to their scalar components and find the components of the resultant force pulling on the barge. What is the magnitude of the resultant pull? What is its direction relative to the line AB?
英語のヒント
次の図のように、2隻のタグボートがはしけを引く。一方は直線ABより上への方向に大きさ4000単位の力で、他方は直線ABより下への方向に大きさ5000単位の力で引く。これらの力をスカラー成分へ分解し、はしけを引く合力の成分を求めよ。合力の大きさはいくらか。直線ABに対する方向はどうなるか。

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Figure 2.28図 2.28
Exercise 57問題 57
In the control tower at a regional airport, an air traffic controller monitors two aircraft that travel in straight paths directly away from the control tower. One plane is a cargo carrier Boeing 747 climbing at above the horizontal, and moving north of west. At some moment in time, the controller notes that the Boeing is at an altitude of 2500 m and the DC-3 is at an altitude of 3000 m. The other plane is a Douglas DC-3 climbing at above the horizontal, and cruising directly west. (a) Find the position vectors of the planes relative to the control tower at this time. (b) What is the distance between the planes at this time?
英語のヒント
地方空港の管制塔で、航空管制官が、管制塔からまっすぐ離れる二つの直線経路を飛ぶ2機を監視している。一方は貨物機ボーイング747で、水平より上向きに上昇し、西から北への方向へ飛ぶ。ある瞬間、管制官はボーイングの高度が2500 m、DC-3の高度が3000 mであると確認する。他方はダグラスDC-3で、水平より上向きに上昇し、真西へ巡航している。(a)この瞬間の、管制塔に対する両機の位置ベクトルを求めよ。(b)この瞬間の2機の間の距離はいくらか。
Solution解き方
a. , ; b.
(a)、。(b)。
equal vectors
等しいベクトル
two vectors are equal if and only if all their corresponding components are equal; alternately, two parallel vectors of equal magnitudes
英語のヒント
対応する成分がすべて等しいとき、かつそのときに限り、二つのベクトルは等しい。別の表し方では、大きさの等しい二つの平行なベクトル。
null vector
零ベクトル
a vector with all its components equal to zero
英語のヒント
すべての成分が0のベクトル。