?專題九《平面向量》講義
9.2 數(shù)量積
知識梳理.數(shù)量積
1.向量的夾角
(1)定義:已知兩個非零向量a和b,作=a,=b,則∠AOB就是向量a與b的夾角.
(2)范圍:設(shè)θ是向量a與b的夾角,則0°≤θ≤180°.
(3)共線與垂直:若θ=0°,則a與b同向;若θ=180°,則a與b反向;若θ=90°,則a與b垂直.
2.平面向量的數(shù)量積
定義
設(shè)兩個非零向量a,b的夾角為θ,則|a||b|·cos_θ叫做a與b的數(shù)量積,記作a·b
投影
|a|cos_θ叫做向量a在b方向上的投影,
|b|cos_θ叫做向量b在a方向上的投影
幾何意義
數(shù)量積a·b等于a的長度|a|與b在a的方向上的投影|b|cos_θ的乘積
3.向量數(shù)量積的運算律
(1)a·b=b·a.
(2)(λa)·b=λ(a·b)=a·(λb).
(3)(a+b)·c=a·c+b·c.
4.平面向量數(shù)量積的有關(guān)結(jié)論
已知非零向量a=(x1,y1),b=(x2,y2),a與b的夾角為θ.
結(jié)論
幾何表示
坐標(biāo)表示

|a|=
|a|=
夾角
cos θ=
cos θ=
a⊥b的充
要條件
a·b=0
x1x2+y1y2=0
題型一.基本公式
1.若非零向量a→、b→滿足|a→|=|b→|且(2a→+b→)⊥b→,則a→與b→的夾角為(  )
A.π6 B.π3 C.2π3 D.5π6
【解答】解:∵非零向量a→、b→滿足|a→|=|b→|,且(2a→+b→)⊥b→,設(shè)a→與b→的夾角為θ,θ∈[0,π],
∴(2a→+b→)?b→=2a→?b→+b→2=0,即2a→?b→=-b→2,∴2|a→|?|a→|?cosθ=-|a→|2,
求得cosθ=-12,∴θ=2π3,
故選:C.
2.已知非零向量a→,b→夾角為45°,且|a→|=2,|a→-b→|=2.則|b→|等于(  )
A.22 B.2 C.3 D.2
【解答】解:非零向量a→,b→夾角為45°,且|a→|=2,|a→-b→|=2.
可得a→2-2a→?b→+b→2=4,
4﹣22|b→|+|b→|2=4
則|b→|=22.
故選:A.
3.已知向量a→,b→及實數(shù)t滿足|a→+tb→|=3.若a→?b→=2,則t的最大值是 98?。?br /> 【解答】解:由于求t的最大值,即t>0,
由|a→+tb→|=3,a→?b→=2,
兩邊平方可得(a→+tb→)2=9,
即為a→2+t2b→2+2ta→?b→=9,
即有a→2+t2b→2=9﹣4t,
由a→2+t2b→2≥2t|a→|?|b→|≥2ta→?b→=4t,
當(dāng)且僅當(dāng)a→,b→同向時,取得等號.
由9﹣4t≥4t,解得t≤98.
即有t的最大值為98.
故答案為:98.

題型二.幾何意義——投影
1.設(shè)向量e1→,e2→是夾角為2π3的單位向量,若a→=3e1→,b→=e1→-e2→,則向量b→在a→方向的投影為( ?。?br /> A.32 B.12 C.-12 D.1
【解答】解:∵向量e1→,e2→是夾角為2π3的單位向量,
∴|e1→|=|e2→|=1,e1→?e2→=1×1×cos2π3=-12.
|a→|=|3e1→|=3,
∴a→?b→=3e1→?(e1→-e2→)=3e1→2-3e1→?e2→=3-3×(-12)=92.
∴向量b→在a→方向的投影為b→?a→|a→|=923=32.
故選:A.
2.如圖,在平行四邊形ABCD中,AP⊥BD,垂足為P,且AP=3,則AP→?AC→= 18?。?br />
【解答】解:設(shè)AC與BD交于點O,則AC=2AO
∵AP⊥BD,AP=3,
在Rt△APO中,AOcos∠OAP=AP=3
∴|AC→|cos∠OAP=2|AO→|×cos∠OAP=2|AP→|=6,
由向量的數(shù)量積的定義可知,AP→?AC→=|AP→||AC→|cos∠PAO=3×6=18
故答案為:18

3.如圖,A是半徑為5的圓O上的一個定點,單位向量AB→在A點處與圓O相切,點P是圓O上的一個動點,且點P與點A不重合,則AP→?AB→的取值范圍是 [﹣5,5]?。?br />
【解答】解:如圖所示:設(shè)∠PAB=θ,作OM⊥AP,則∠AOM=θ,
∴sinθ=AMOA,AM=5sinθ,AP=2AM=10sinθ.
∴AP→?AB→=10sinθ×1×cosθ=5sin2θ∈[﹣5,5],
故答案為:[﹣5,5].


題型三. 轉(zhuǎn)換基底
1.如圖,在△ABC中,AD⊥AB,BC→=23BD→,|AD→|=1,則AC→?AD→=(  )

A.23 B.3 C.32 D.﹣23
【解答】解:在△ABC中,AD⊥AB,BC→=23BD→,|AD→|=1,
則AC→?AD→=(AB→+BC→)?AD→=AB→?AD→+BC→?AD→=BC→?AD→
=0+23BD→?AD→=23(AD→-AB→)?AD→
=23AD→2-23AB→?AD→=23?1﹣0=23,
故選:A.
2.已知向量AB→與AC→的夾角為120°,且|AB→|=3,|AC→|=2,若AP→=λAB→+AC→且AP→⊥BC→,則實數(shù)λ的值為( ?。?br /> A.37 B.73 C.712 D.127
【解答】解:向量AB→與AC→的夾角為120°,且|AB→|=3,|AC→|=2,
可得AB→?AC→=3×2×cos120°=﹣3,
若AP→=λAB→+AC→且AP→⊥BC→,
則AP→?BC→=(λAB→+AC→)?(AC→-AB→)=AC→2﹣λAB→2+(λ﹣1)AB→?AC→
=4﹣9λ﹣3(λ﹣1)=0,
解得λ=712.
故選:C.
3.如圖,P為△AOB所在平面內(nèi)一點,向量OA→=a→,OB→=b→,且點P在線段AB的垂直平分線上,向量OP→=c→.若|a→|=3,|b→|=2,則c?(a→-b→)的值為 52 .

【解答】解:設(shè)線段AB的垂直平分線為PH,H為垂足,
則OP→=OB→+BH→+HP→=OB→+12BA→+HP→
=OB→+12OA→-12OB→+HP→=12OA→+12OB→+HP→,
則c?(a→-b→)=(12OA→+12OB→+HP→)?(OA→-OB→)
=12(OA→2-OB→2)+HP→?BA→
=12×(32﹣22)+0=52.
故答案為:52.

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題型四.數(shù)量積運算律求最值
1.向量a→,b→的夾角為120°,|a→|=|b→|=1,|c→|=2,則|a→+2b→+c→|的最大值為( ?。?br /> A.2-3 B.2 C.2+3 D.4
【解答】解:|a→+2b→+c→|≤|a→+2b→|+|c→|,計算:|a→+2b→|2=a→2+4b→2+4a→?b→=|a→|2+4|b→|2+4|a→|?|b→|cosθ=1+4﹣4×12=3,
∴|a→+2b→|=3,|a→+2b→+c→|≤|a→+2b→|+|c→|=2+3,當(dāng)且僅當(dāng)||a→+2b→|=|c→|時取等號.
故|a→+2b→+c→|的最大值為2+3,
故選:C.
2.已知向量a→,b→滿足|a→|=5,|b→|=1且|a→-4b→|≤21,則a→?b→的最小值為 52?。?br /> 【解答】解:∵|a→-4b→|≤21,
∴a→2-8a→?b→+16b→2≤21,
即25﹣8a→?b→+16≤21,
∴a→?b→≥52.
故答案為:52.
3.在梯形ABCD中,AB∥CD,AB=BC=2,CD=1,M是線段BC上的動點,若BD→?AM→=-3,則BA→?BC→的取值范圍是 [1,4)?。?br /> 【解答】解:由已知有:|AB→|=|BC→|,CD→=12BA→,BM→=λBC→,(0≤λ≤1),
則BD→?AM→=(BC→+CD→)?(AB→+BM→)=(BC→+12BA→)(λBC→-BA→)=﹣3,
所以BA→?BC→=2+8λ2-λ=182-λ-8,
因為0≤λ≤1,∴BA→?BC→∈[1,10],
因為BA→?BC→=|BA→|?|BC→|?cosθ,其中θ為BA→與BC→的夾角,θ∈(0,π),
因為cosθ∈(﹣1,1),所以BA→?BC→=2×2cosθ=4cosθ∈(﹣4,4),
又1?BA→?BC→?10,所以BA→?BC→∈[1,4).
故答案為:[1,4).

題型五.數(shù)量積坐標(biāo)運算
1.已知向量a→=(2,1),b→=(1,﹣1),c→=(m﹣2,﹣n),其中m,n均為正數(shù),且(a→-b→)∥c→,下列說法正確的是( ?。?br /> A.a(chǎn)→與b→的夾角為鈍角
B.向量a→在b→方向上的投影為55
C.2m+n=4
D.mn的最大值為2
【解答】解:根據(jù)題意,依次分析選項:
對于A,向量a→=(2,1),b→=(1,﹣1),則a→?b→=2﹣1=1>0,則a→、b→的夾角為銳角,A錯誤;
對于B,向量a→=(2,1),b→=(1,﹣1),則向量a在b方向上的投影為a→?b→|b→|=22,B錯誤;
對于C,向量a→=(2,1),b→=(1,﹣1),則a→-b→=(1,2),若(a→-b→)∥c→,則(﹣n)=2(m﹣2),變形可得2m+n=4,C正確;
對于D,由C的結(jié)論,2m+n=4,而m,n均為正數(shù),則有mn=12(2m?n)≤12(2m+n2)2=2,即mn的最大值為2,D正確;
故選:CD.
2.如圖,在矩形ABCD中,AB=2,BC=2,點E為BC的中點,點F在邊CD上,若AB→?AF→=2,則AE→?BF→的值是 2?。?br />
【解答】解:∵AF→=AD→+DF→,
AB→?AF→=AB→?(AD→+DF→)=AB→?AD→+AB→?DF→=AB→?DF→=2|DF→|=2,
∴|DF→|=1,|CF→|=2-1,
∴AE→?BF→=(AB→+BE→)(BC→+CF→)=AB→?CF→+BE→?BC→=-2(2-1)+1×2=-2+2+2=2,
故答案為:2
3.已知邊長為2的菱形ABCD中,點F為BD上一動點,點E滿足BE→=2EC→,AE→?BD→=-23,則AF→?EF→的最小值為( ?。?br /> A.-23 B.-43 C.-15275 D.-7336
【解答】解:由題意知:BE→=23BC→,
設(shè)∠DAB=θ,
所以AE→?BD→=(AB→+BE→)?(AD→-AB→)=AB→?AD→-AB→2+23BC→?AD→-23BC→?AB→=4cosθ﹣4+83-83cosθ=-23,
所以cosθ=12,
又θ∈(0,π),
所以θ=π3,
以AC與BD交點為原點,AC為x軸,BD為y軸建立如圖所示的直角坐標(biāo)系,
所以A(-3,0),C(3,0),D(0,1),B(0,﹣1),E(233,-13),
設(shè)F(0,t),
則AF→=(3,t),EF→=(-233,t+13),
所以AF→?EF→=-2+t(t+13)=t2+13t-2=(t+16)2-7336,
當(dāng)t=-16時,AF→?EF→取最小值-7336,
故選:D.


題型六.極化恒等式
1.設(shè)向量a→,b→滿足|a→+b→|=10,|a→-b→|=6,則a→?b→=(  )
A.﹣1 B.1 C.4 D.﹣4
【解答】解:∵|a→+b→|=10,∴(a→+b→)2=10,∴a→2+b→2+2a→?b→=10 ①,
∵|a→-b→|=6,∴(a→-b→)2=6,∴a→2+b→2-2a→?b→=6 ②,
①﹣②得 4a→?b→=4,∴a→?b→=1.
故選:B.
2.如圖,△ABC是邊長為23的等邊三角形,P是以C為圓心,1為半徑的圓上的任意一點,則AP→?BP→的取值范圍是 [1,13]?。?br />
【解答】解:∵|AC→|=|BC→|=23,∠ACB=60°
∴AC→?BC→=23?23cos60°=6
∵AP→=AC→+CP→,BP→=BC→+CP→
∴AP→?BP→=(AC→+CP→)(BC→+CP→)=AC→?BC→+CP→(AC→+BC→)+CP→2
∵|CP→|=1
∴AP→?BP→=6+CP→(AC→+BC→)+1=7+CP→(AC→+BC→)
∵△ABC是邊長為23的等邊三角形,
∴向量AC→+BC→是與AB垂直且方向向上,長度為6的一個向量
由此可得,點P在圓C上運動,當(dāng)CP→與AC→+BC→共線同向時,CP→(AC→+BC→)取最大值,且這個最大值為6
當(dāng)CP→與AC→+BC→共線反向時,CP→(AC→+BC→)取最小值,且這個最小值為﹣6
故AP→?BP→的最大值為7+6=13,最小值為7﹣6=1.即AP→?BP→的取值范圍是[1,13]
故答案為:[1,13]
3.已知△ABC是邊長為4的等邊三角形,P為平面ABC內(nèi)一點,則PA→?(PB→+PC→)的最小值為( ?。?br /> A.﹣3 B.﹣6 C.﹣2 D.-83
【解答】解:以BC中點為坐標(biāo)原點,建立如圖所示的坐標(biāo)系,

則A(0,23),B(﹣2,0),C(2,0),
設(shè)P(x,y),則PA→=(﹣x,23-y),PB→=(﹣2﹣x,﹣y),PC→=(2﹣x,﹣y),
所以則PA→?(PB→+PC→)的最=﹣x?(﹣2x)+(23-y)?(﹣2y)=2x2﹣43y+2y2
=2[x2+2(y-3)2﹣3];
所以當(dāng)x=0,y=3時,PA→?(PB→+PC→)取得最小值為2×(﹣3)=﹣6,
故選:B.

課后作業(yè).數(shù)量積
1.已知向量a→、b→滿足|a→|=1,|b→|=2,|2a→+b→|=3|2a→-b→|,則a→與b→夾角為( ?。?br /> A.45° B.60° C.90° D.120°
【解答】解:|a→|=1,|b→|=2,|2a→+b→|=3|2a→-b→|,
∴(2a→+b→)2=3(2a→-b→)2,
∴4a→2+4a→?b→+b→2=12a→2-12a→?b→+3b→2,
∴4a→2-8a→?b→+b→2=0,即4-8a→?b→+4=0,
∴a→?b→=1,
∴cos<a→,b→>=a→?b→|a→||b→|=12,且0°≤<a→,b→>≤180°,
∴<a→,b→>=60°.
故選:B.
2.已知△ABC滿足AB→2=2BA→?CA→,則△ABC的形狀為( ?。?br /> A.直角三角形 B.等邊三角形
C.等腰直角三角形 D.等腰三角形
【解答】解:根據(jù)AB→2=2BA→?CA→得到:c2=2bccosA,
由正弦定理bsinB=csinC=2R,可得sin2C=2sinBsinCcosA,
又C為三角形的內(nèi)角,得到sinC≠0,
可得sinC=2sinBcosA,
又sinC=sin[π﹣(A+B)]=sin(A+B),
∴sin(A+B)=sinAcosB+cosAsinB=2sinBcosA,即sinAcosB﹣cosAsinB=0,
∴sin(A﹣B)=0,且A和B都為三角形的內(nèi)角,
∴A=B,
則△ABC的形狀為等腰三角形.
故選:D.
3.已知向量a→≠e→,|e→|=1,對任意t∈R,恒有|a→-te→|≥|a→-e→|,則( ?。?br /> A.a(chǎn)→⊥e→ B.a(chǎn)→⊥(a→-e→)
C.e→⊥(a→-e→) D.(a→+e→)⊥(a→-e→)
【解答】解:已知向量a→≠e→,|e→|=1,對任意t∈R,恒有|a→-te→|≥|a→-e→|
即|a→-te→|2≥|a→-e→|2∴t2-2a→?e→t+2a→?e→-1≥0
即△=(2a→?e→)2-4(2a→?e→-1)≤0即(a→?e→-1)2≤0∴a→?e→-1=0a→?e→-e→2=0∴e→?(a→-e→)=0
故選:C.
4.如圖,在△ABC中,M是BC的中點,AM=3,BC=10,則AB→?AC→=( ?。?br />
A.34 B.28 C.﹣16 D.﹣22
【解答】解:∵AB→=AM→+MB→,AC→=AM→+MC→且AM=3,BC=10,
∴|AM→|=3,|BM→|=|MC→|=5,
∴MB→?MC→=-25,AM→?MC→+AM→?MB→=AM→?(MC→+MB→)=0,
∴AB→?AC→=(AM→+MB→)?(AM→+MC→)=AM→2+AM→?MC→+MB→?AM→+MB→?MC→
=9﹣25
=﹣16.
故選:C.
5.如圖,在△ABC中,∠BAC=π3,AD→=2DB→,P為CD上一點,且滿足AP→=mAC→+12AB→,若AC=3,AB=4,則AP→?CD→的值為( ?。?br />
A.﹣3 B.-1312 C.1312 D.112
【解答】解:∵AD→=2DB→,∴AD→=23AB→,
∵CP→∥CD→,∴CP→=kCD→,即AP→-AC→=k(AD→-AC→),又∵AP→=mAC→+12AB→,
則(m﹣1)AC→+12AB→=k(23AB→-AC→),∴m-1=-k12=23k,∴k=34,m=14,
則AP→?CD→=AP→?(AD→-AC→)=(14AC→+12AB→)?(23AB→-AC→)=13AB→2-14AC→2-13AB→?AC→=163-94-13×4×3cosπ3=1312,
故選:C.

6.如圖,在矩形ABCD中,AB=2,BC=2,點E為BC的中點,點F在邊CD上,若AB→?AF→=2,則AE→?BF→的值是 2 .

【解答】解:∵AF→=AD→+DF→,
AB→?AF→=AB→?(AD→+DF→)=AB→?AD→+AB→?DF→=AB→?DF→=2|DF→|=2,
∴|DF→|=1,|CF→|=2-1,
∴AE→?BF→=(AB→+BE→)(BC→+CF→)=AB→?CF→+BE→?BC→=-2(2-1)+1×2=-2+2+2=2,
故答案為:2
7.已知a→、b→均為單位向量,且a→?b→=0.若|c→-4a→|+|c→-3b→|=5,則|c→+a→|的取值范圍是(  )
A.[3,10] B.[3,5] C.[3,4] D.[10,5]
【解答】解:∵a→、b→均為單位向量,且a→?b→=0.
∴設(shè)a→=(1,0),b→=(0,1),再設(shè)c→=(x,y),
代入|c→-4a→|+|c→-3b→|=5,得(x-4)2+y2+x2+(y-3)2=5.
即(x,y)到A(4,0)和B(0,3)的距離和為5,
∴c→的終點軌跡是點(4,0)和(0,3)之間的線段,
|c→+a→|=(x+1)2+y2,表示M(﹣1,0)到線段AB上點的距離,
最小值是點(﹣1,0)到直線3x+4y﹣12=0的距離.
∴|c→+a→|min=|-3-12|5=3.
最大值為|MA|=5.
∴|c→+a→|的取值范圍是[3,5].
故選:B.

8.已知在直角三角形ABC中,A為直角,AB=1,BC=2,若AM是BC邊上的高,點P在△ABC內(nèi)部或邊界上運動,則AM→?BP→的取值范圍是(  )
A.[﹣1,0] B.[-12,0] C.[-34,12] D.[-34,0]
【解答】解:如圖,
由AB=1,BC=2,可得AC=3,
以AB所在直線為x軸,以AC所在直線為y軸,建立平面直角坐標(biāo)系,
則B(1,0),C(0,3),直線BC方程為x+y3=1則直線AM方程為y=33x,
聯(lián)立,解得:M(34,34),
由圖可知,當(dāng)P在線段BC上時,AM→?BP→有最大值為0,
當(dāng)P在線段AC上時,AM→?BP→有最小值,設(shè)P(0,y)(0≤y≤3),
∴AM→?BP→=(34,34)(﹣1,y)=-34+34y≥-34.
∴AM→?BP→的范圍是[-34,0].
故選:D.

9.在平面內(nèi),定點A,B,C,D滿足|DA→|=|DB→|=|DC→|=2,DA→?BC→=DB→?AC→=DC→?AB→=0,動點P,M滿足|AP→|=1,PM→=MC→,則|BM→|2的最大值為 494?。?br /> 【解答】解:平面內(nèi),|DA→|=|DB→|=|DC→|=2,DA→?BC→=DB→?AC→=DC→?AB→=0,
∴DA→⊥BC→,DB→⊥AC→,DC→⊥AB→,
可設(shè)D(0,0),A(2,0),B(﹣1,3),C(﹣1,-3),
∵動點P,M滿足|AP→|=1,PM→=MC→,
可設(shè)P(2+cosθ,sinθ),M(1+cosθ2,sinθ-32),
∴BM→=(3+cosθ2,sinθ-332),
∴BM→2=(3+cosθ2)2+(sinθ-332)2=37+12sin(π6-θ)4≤494,
當(dāng)且僅當(dāng)sin(π6-θ)=1時取等號,
∴|BM→|2的最大值為494.
故答案為:494.
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