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立体几何
球体
日期:
2024-05-17 15:46
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球体
## 球体定义 在空间与定点距离相的点的集合称做球面. 球面所包围的立体叫做球. 定点叫做球心, 定点和球面上任一点所连线段叫做球的半径. 连结球面上任意两点的线段叫做球的弦, 通过球心的弦叫做球的直径. 球面也可以看作半圆绕着它的直径旋转一周所成的图形. 球可以看作是一半圆面绕着它的直径旋转一周而形成的立体. 原半圆面的半径是球的半径, 原半圆面的圆心是球心. 一个球可以用表示它球心的字母来表示, 例如 “球 $O$ ”. 画半径是 $R$ 的直观图时,一般用第二种画法, 先分别在 $X O Y 、 X O Z 、 Y O Z$ 三个平面的画出表示半径是 $R$ 的圆的三个椭圆, 再在外面画一个圆和这三个椭圆相切（图 2.26),通常用简便的画法如图 2.27 .  球有下列一些性质: 1. 同球的半径（或直径）相等. 2. 球被平面所截得截面是一圆面. 证明：设平面 $M$ 通过球心 $O$, 并设 $A 、 B$ 为平面 $M$ 和球面交线上任意两点. (图 2.28(1)) 在平面 $M$ 内连接 $O A, O B$, 因 $O A 、 O B$ 都是球 $O$ 的半径,所以 $O A=O B$. 这就是说, 交线上任意两点, 因为交线上一切点与 $O$ 点等距离, 所以交线是平面 $M$ 内以 $O$ 点为圆心的一个圆, 它的半径就等于球的半径,因此球 $O$ 与平面 $M$ 的截面是以球心为圆心的圆面. 设平面 $M$ 不通过球心 (图 $2.28(2)$ ), 自球心 $O$ 作 $O O_1$ 垂直平面 $M$ 于 $O_1$,设 $A 、 B$ 为平面 $M$ 与球 $O$ 的交线上任意两点, 连结 $O A, O B$, 因为 $O A=O B$,  所以它们在平面 $M$ 内的射影相等, 即 $A O_1=B O_1$, 因此平面 $M$ 与球 $O$ 的交线是一个圆, 它的圆心就是球心 $O$ 到平面的垂线的垂足 $O_1$. 如果用 $R, r$ 分别表示球的半径和截面圆的半径, $d$ 表示由球心 $O$ 到平面 $M$ 的距离, 那么, $$ r=\sqrt{R^2-d^2} $$ 因此, 平面 $M$ 和球 $O$ 的截面是以 $O_1$ 为圆心, 以 $\sqrt{R^2-d^2}$ 为半径的圆面. 推论 1. 连结球心与截面圆的圆心的直线和截面垂直. 2. 与球心距离相等的截面的圆大小相等. 3. 与球心距离不等的截面, 所截得的圆的大小不等, 距离球心较近的截面所截的圆较大. 4. 当 $d=0$ 时, 这时截面过球心, 所以 $r=R$, 也就是说, 这时截面的圆的半径最大, 称这个圆为球的大圆, 不过球心截面的圆称为球的小圆. 5. 当 $d=R$ 时, $r=0$, 这时截面的圆退化为一个点, 我们称和球面只有一个公共点的乎面叫做球的切面, 球的切面和球的公共点叫做切点. 和球只有一个公共点的直线叫做球的切线. 显然在球的切面上过切点的直线是球的切线. 定义 连结球面上 $A 、 B$ 两点间大圆的劣孤叫做球面上 $A 、 B$ 两点间的球面距离. 定理 如果球的半径通过球面的切面的切点，这个半径必垂直于球的切面．  证明: 设平面 $\alpha$ 是球 $O$ 的切面, $K$ 点是切点, $K O=R$, (图 2.29) 如果 $O K$不垂直平面 $\alpha$, 作 $O K^{\prime} \perp$ 平面 $\alpha$ 于 $K^{\prime}$, 则 $O K>O K^{\prime}$, 即 $R>O K^{\prime}, K^{\prime}$ 点在球面的内部, 这样, 平面 $\alpha$ 与球 $O$ 必相交, 这与 $\alpha$ 是球 $O$ 的切面相矛盾, 所以 $O K \perp \alpha$. 逆定理 垂直于球半径且过半径外瑞的平面必是球的切面. 证明: 在平面 $\alpha$ 上另取任一点 $K^{\prime}$, 连结 $O K^{\prime}$, 因为 $O K$ 是平面 $\alpha$ 的垂线, 而 $O K^{\prime}$ 是平面 $\alpha$ 的斜线, 所以 $O K^{\prime}>O K \cdot$ 因为 $K \in \alpha$, 所以 $K^{\prime}$ 点在球面外,也就是说, 平面 $\alpha$ 上除 $K$ 点外的任何点都不在球面上, 即平面 $\alpha$ 与球面只有一个公共点 $K$, 所以平面 $\alpha$ 是球 $O$ 的切面. 把上面正、逆定理合成一个定理, 即 定理 一个平面是一个球的切面的充要条件是这个平面经过这个球的一条半径的外端而且和这条半径垂直. 综上所述, 可知, 如果球的半径为 $R$, 球心 $O$ 到平面的距离为 $d$, 则平面 $\alpha$ 与球 $O$ 有下列位置关系: 1. 如果 $d<R$, 那么平面 $\alpha$ 与球 $O$ 相交, 截面是个圆, 它的半径 $r=$ $$ \sqrt{R^2-d^2} $$ 2. 如果 $d=R$, 那么平面 $\alpha$ 与球 $O$ 相切. 3. 如果 $d>R$, 那么平面 $\alpha$ 与球 $O$ 没有公共点, 这时称平面 $\alpha$ 与球 $O$ 相离. 例 2.7 设 $A$ 地位于北纬 $45^{\circ}$, 由于地球自转, 在一小时内 $A$ 点转了多少路程? (地球的半径大约为 6370 公里) 解: 如图 2.30, 设点 $O$ 是地球的球心, $O A$ 是地球的半径, $M$ 是北纬 $45^{\circ}$ 圈的中心, $A M$ 是北纬 $45^{\circ}$ 圈的半径, $O M$ 是地球球心到北纬 $45^{\circ}$ 圈所在平面的距离, 那么在直角 $\triangle A M O$ 中, $\angle O A M=\angle A O B=45^{\circ}$ $$ \therefore A M=A O \cos 45^{\circ} \approx 6370 \times 0.7071 \approx 4504 $$ 因为地球自转一周的时间为 24 小时, 所以地球自转一小时转过的角度为 $\frac{2 \pi}{24}=\frac{\pi}{12}$ (弧度), 于是, $A$ 地在一小时内转过的路程即为北纬 $45^{\circ}$ 圈的 $\frac{\pi}{12}$ 弧度的弧长, 即 $$ \frac{\pi}{12} \times 4504 \approx \frac{3.1416}{12} \times 4504 \approx 1179 $$ 答: $A$ 地在一小时内转过的路程约为 1179 公里.  例 2.8 已知球面上 $A 、 B$ 两点的球面距离为 $5 \pi \mathrm{cm}$, 过这两点的半径的夹角 $\angle A O B$ 是 50 度, 求这个球的半径. 解: 如图 2.31, $O$ 为球心, 过半径 $O A$ 和 $O B$ 作平面, 则这个平面所截的圆为大圆, 在这个圆上已知圆心角 $\angle A O B=50^{\circ}, A B=5 \pi \mathrm{cm}$. 设球的半径为 $R$,则 $$ 5 \pi=\left(\frac{50 \pi}{180}\right) \cdot R \quad \Rightarrow \quad R=18 $$ 答: 这个球的半径为 $18 \mathrm{~cm}$.
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