立体角理解及应用

在国家法定计量单位所采用的国际单位制(SI)中,除了7个基本单位外,还有两个辅助单位,一个是平面角(一般简称角度),一般记为希腊小写字母α等,单位为弧度,记为rad,另一个是立体角,记为大写希腊字母Ω,单位为球面度,记为sr。
立体角涉及光度学、电磁辐射、球面天文学等许多领域的基本概念,如(热、光或其它电磁波、声音或其它机械波的)辐射通量、星座所占天球区域的“面积”(实际为立体角)大小等等,因此立体角概念本身的重要意义和实用价值不言而喻,可谓理解客观世界的空间形式和许多科学原理的一把钥匙。
通常的初等数学教育对平面角讲得很详尽,但对立体角的介绍则远不充足。对三维空间、立体几何有兴趣者,不妨读读本文,希望您有所获益。您斧正拙文之谬误、拓展和深化拙文所涵盖的内容,尤为笔者所企冀。
平面上,多边形内角和可表为(n-2)π,那么相应地,多面体内立体角之和如何?答曰:它在一定区间内变化,关于这一点,以后再展开叙述。
1、立体角定义与量度
1.1立体角的概念
当我们看到远处的两个物体,欲表达其相对方位时,用从这两个物体到眼睛的视线之间的夹角这个概念。例如,可以选择月亮的上边缘顶点与下边缘顶点,由人眼到这两个点的视线之间的夹角较为稳定,可以称为月亮的“视直径”。
而当形容“挂在树梢上的月亮像月饼这么大”时,人们就一面犯了错误,一面已经在冥冥之中与立体角概念的幽灵相接近。月亮、月饼当然不一样大,而且大小相差悬殊,但是当月饼与人眼之间为一定距离时,看起来它的确跟月亮“差不多一般大”。月饼比月亮小得多,但当把月饼放在眼前时,它却能完全挡住月亮,这样就清楚了,随着距离变远,形象就变小。这不仅是“视直径”的变化,其实也是另一个量,“立体角”的变化。
假设制作一个代表立体直角坐标系的三维“十字架”,使之穿过两个半径相差一倍的同心球面,球心在坐标系原点,自球心发出无数条射线,这些射线在球面上的投影点形成一条连续的闭合的曲线,那么这样的一条曲线在小球面上所限定的面积为在大球面上所限定面积的1/4。进一步假设,若人眼在球心处,向曲线所包的一部分球面看,无疑大小球面上的这两块面积将完全重合。这就是说,尽管这两块面积不等,但他们所对应的空间区域的大小却完全相同,都以上述那无数条射线为界。我们就说,这两块面积所对应的立体角一样大。即使你使其中一个球面绕球心转动,也不会改变这一点。
现在可以给立体角下一个定义了:锥面(射平面或射曲面)所围成的空间区域称为立体角。在以锥的顶
点为心,半径为1单位的球面上,锥面所截得的面积大小就准确地度量了立体角的大小。以球心为顶点的锥面在球的表面切割出的、面积等于球半径平方的区域,所张的立体角的大小,被定义为立体角的基本度量单位,是立体角的国际单位,是三维的弧度,称为平方弧度,或平方弪,亦称球面度,符号记作sr,英文steridian,是希腊语立体(stereos)和弧度(radian)的合成词。
再从另一个起点出发来考察“立体角”。正如平面上一个直角坐标系把平面分为4个象限一样,立体解析几何上,把由一个笛卡尔三维直角坐标系所确定的欧式空间剖分为8个卦限,一个卦限是这样一个立体角:其大小占整个空间的
1/8,其边界在球面上的投影是一个三边相互垂直的球面三角形。完全相同的推广是:一个象限占去1/4个平面,一个卦限占去1/8个(欧氏)空间;象限可分为100或90等分,每等分称为一度,而8个卦限共可分为4π个等分,每等分称为一“平方弪”(球面度);等等。球表面积为4πr2,因此整个球面有4π个球面度。
在平面上定义一段弧微分ds与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角,记作θ=ds/r;所以整个圆周对应的圆心角就是2π;和平面角的定义类似,定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角,记作θ=ds/r2;由此可得,闭合曲面的立体角都是4π。
1.2立体角的单位
词,可以理解gon的涵义就是“角”)是按国际计量局《国际单位制》要求应淘汰的平面角单位,所以今后会更少有人用到“平方冈”作为立体角的单位。100g=90°=(π/2)rad,1g=100c=10000cc,这里c称为厘冈或新分,cc称为新秒,即所谓新度、新分、新秒分别等于全平面角(2πrad或360°)的1/400、1/40000、1/4000000。
由于平面上1弧度=180°/π,其定义是圆周上与半径等长的弧所对的圆心角,故定义,球面上1平方弧度,或球面度,是这样一个立体角,它自球心向一个球面区域(球冠等)张开,这个区域的面积等于半径的平方,又由于球面积=4
父亲与我πr2,那么,1球面度就是全空间的1/4π。1球面度约等于(180/π) 2或3282.8平方度。1平方度=60x60=3600平方分,1平方分=60x60=3600平方秒。
以地球表面为例,假定它是完美的球面,“直观形象”地比较一下这些单位的大小比例。地球总面积约为5.1亿平方千米,那么由地心张开的1个球面度在地表所占的面积为5.1亿平方千米/4π≈4050万平方千米,比俄、加、中三个
乳化柴油面积最大的国家国土面积之和还大些;而由地心张开的1个平方度在地表所占的面积为4050万平方千米/3282.8≈12350平方千米,相当于110千米见方的一个地区,或1/3个台湾或海南岛;由地心张开的1个平方分在地表所占的面积为12350平方千米/3600≈3.43平方千米,由地心张开的1个平方秒在地表所占的面积为3.43平方千米/3600≈0.95平方米。
再以地球赤道为例,假定它是完美的圆形,看平面角单位的大小比例。赤道半径6378千米,赤道周长约40074千米,则地心所张的平面角每度所对的赤道弧长为111.3千米,每个角分所对的赤道弧长为111.3/60≈1.855千米,每个角秒所对的赤道弧长为1855/60≈30.92米。此数值与上述每个平方秒所对的0.95
平方米远不相称,由此可知,1平方秒=1/3600平方分和1平方分=1/3600平方度只是人为的规定,1平方秒决不是1个平面的角秒的简单平方。
计。大龙明权
1.3立体角与平面角的对比
*
西沙岛的资料2、欧几里得空间的剖分及区域类型
2.1欧几里得空间的剖分
这里不考虑爱因斯坦式的时-空联系,而只分析欧几里得--笛卡尔式的整个刚性三维空间(以下简称全空间)被平面或曲面剖分为各种区域的情形。
图2.1.沈阳音乐学院南校区地址
a.全空间中任1个平面将全空间剖分为对等的2个区域;其投影如上图左;
b.任2个互不平行的平面将全空间剖分为两两对等的4个区域;设这2个平面之间的夹角为α,则这2对区域所占空间大小的比例为α/(π-α);其投影如上图中;
c.互相平行的2个平面将全空间剖分为3个区域:对等的2个区域加上中间1个无穷大但厚度(等于两个平面之间的距离)有限的“饼”状区域;其投影如上图右;
d.互不平行的3个平面将全空间剖分为两两对等的8个区域;立体直角坐标系将全空间剖分为8个卦限就是一个特例;
但若3个平面两两之间的3条交线互相平行而不共面、不重合,则这3个平面将全空间剖分为7个区域,是3对对顶的二面角及1个无限高的三棱柱;其横截面(投影)如下图左;
图2.2
e.互不平行的4个平面,若不交于同一点,将全空间剖分为两两对等的14个区域围绕1个四面体,其中4对对顶的三面角、3对对顶的四面角(分别对应于四面体的4个面、4个顶点和6条棱);
f.1个射圆锥面(无限高)将全空间剖分为2个区域,其中之一具有圆锥形正截面,占据全空间的一定比例(依该射圆锥面的张角而定,具体数量见下文所述);另一个则占据全空间的其余部位;其示意如上图右;
……
由上一节已经可以看到,空间的区域有几种不同的类型,列入表5中。
地质学报一段绕口令:
代号为∞1的区域是∞0区域的∞倍,∞2区域又是∞1区域的∞倍,∞3或∞3’区域又是∞2区域的∞倍。如果说∞1是对于∞0的1阶∞,那么∞2、∞3或∞3’就分别是对于∞0的2、3阶∞。
2.3锥角(立体角)的边界
立体角通常由锥角所限定。这里的锥角是指具有立体角的∞3'型三维无限区域,锥角的边界是无数条连续相邻的射线所构成的“射面”,由锥角的顶点,即所有这些射线的共同端点出发,无弯曲地通向无穷远处。
以顶点为球心,以这些射线为法线作任意球面,则它与锥角边界面的交线呈闭合曲线。而锥角在该闭合曲线内球面上投影区域的面积,占该球面总面积的比例的大小,就确定了该锥面的立体角的大小,因此立体角本质上是一个比值,和平面角一样,没有量纲。
2.3.1平面边界的锥角----多面角

本文发布于:2024-09-22 22:23:38,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.17tex.com/xueshu/217855.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

标签:立体角   球面   区域   面积   平面   空间   全空间
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
Copyright ©2019-2024 Comsenz Inc.Powered by © 易纺专利技术学习网 豫ICP备2022007602号 豫公网安备41160202000603 站长QQ:729038198 关于我们 投诉建议