Радиус

Площадь сферы

Сферическая поверхность, как и всякая другая ограниченная поверхность, имеет какую-то площадь. Напомним, что для вычисления площадей цилиндрической и конической поверхности мы строили их плоские развертки и находили площади уже этих разверток, используя формулы из планиметрии. Оказывается, что для сферы построить такую развертку невозможно. Мы не будем доказывать строго этот факт, но он известен из географии – любая карта Земли, которая как раз и должна быть разверткой сферической поверхности нашей планеты, является неточной и сильно искажает форму и размеры континентов. Если бы существовал способ построить точную развертку, то и географические карты не имели бы таких искажений.

Однако вычислить площадь сферы всё же можно по известной формуле:

Сейчас мы не будем доказывать эту формулу. Отметим лишь, что для ее получения необходимо использовать интегралы.

Задание. Какова площадь сферы с радиусом 5 см?

Решение. Просто используем формулу:

Ответ: 100π см2.

Шаги

Метод 1 из 2: Вычисление радиуса по основным величинам

Определение основных величин

  1. 1
    Радиус можно найти по известным значениям основных величин шара. К таким величинам относятся:

    • Диаметр (D) (отрезок, соединяющей две точки на поверхности шара и проходящий через центр шара).
    • Длина окружности (C) (длина окружности большого круга – круга, образуемого секущей плоскостью, проходящей через центр шара).
    • Объем (V) (значение трехмерного пространства, занимаемого шаром).
    • Площадь поверхности (A) (значение двумерного пространства, ограниченного поверхностью шара).
    • Число Пи (π) (математическая постоянная, равная отношению длины окружности к ее диаметру; это число применяется при вычислении всех основных величин и обычно округляется до 3,14).
  2. 2
    Ниже приведены формулы для вычисления основных величин; каждая формула включает радиус. Запомните: обособив радиус на одной стороне формулы, вы сможете найти его по известным значениям основных величин.

    • D = 2r. Диаметр вдвое больше радиуса.
    • С = πD = 2πr. Длина окружности равна произведению π на ее диаметр. Так как диаметр в два раза больше радиуса, то длина окружности равна произведению π на двойку и на радиус этой окружности.
    • V = (4/3) πr3. Объем шара равен произведению 4/3 на радиус в кубе и на π.
    • A = 4πr2. Площадь поверхности шара равна произведению квадрата его радиуса на π и на 4.

Вычисление радиуса по формулам

  1. 1
    Если вам дан диаметр, разделите его пополам (на 2) и получите радиус.

    Например, если диаметр шара равен 16 см, то радиус шара равен 16/2 = 8 см.

    Так как D = 2r, то r =D/2.

  2. 2
    Если вам дана длина окружности, разделите ее на 2π и получите радиус.

    Например, если длина окружности шара равна 20 м, то радиус шара: 20/2π = 3,183 м.

    Так как C = 2πr, то r = C/2π.

  3. 3
    Если вам дан объем шара, то радиус шара вычисляется по формуле: r = ((V/π)(3/4))1/3. То есть объем делится на π, результат умножается на 3/4 и полученный результат возводится в степень 1/3 (или извлекается кубический корень).

    • Например, если объем шара равен 100 см3, то радиус шара вычисляется следующим образом:
      • ((V/π)(3/4))1/3 = r
      • ((100/π)(3/4))1/3 = r
      • ((31,83)(3/4))1/3 = r
      • (23,87)1/3 = r
      • r = 2,88 см
  4. 4
    Если вам дана площадь поверхности шара, разделите ее на 4π и из полученного значения извлеките квадратный корень, чтобы найти радиус. Так как А = 4πr2, то r = √(A/4π).

    • Например, площадь поверхности шара равна 1200 см2. Радиус шара вычисляется следующим образом:
      • √ (A / (4π)) = г
      • √ (1200 / (4π)) = г
      • √ (300 / (π)) = г
      • √ (95,49) = г
      • r = 9,77 см

1
Найдите координаты (х, у, z) центральной точки шара.
Пример. Дан шар, центр которого имеет координаты (4, -1, 12). Это точка, равноудаленная от любой точки на поверхности шара. Зная координаты центра шара и любой точки на его поверхности вы можете найти расстояние между этими точками, которое и равно радиусу шара

Обратите внимание, что точки шара имеют трехмерные координаты (х, у, z).

2
Найдите координаты (х, у, z) любой точки на поверхности шара.
Пример. Точка на поверхности шара имеет координаты (3, 3, 0).

3
Радиус шара вычисляется по формуле d = √((x2 — x1)2 + (y2 — y1)2 + (z2 — z1)2), где d – расстояние между точками, (x1,y1,z1) – координаты центральной точки шара, (x2,y2,z2) – координаты точки на поверхности шара.

В нашем примере вместо (x1,y1,z1) подставьте (4, -1, 12), а вместо (x2,y2,z2) — (3, 3, 0).
d = √((x2 — x1)2 + (y2 — y1)2 + (z2 — z1)2)
d = √((3 — 4)2 + (3 — -1)2 + (0 — 12)2)
d = √((-1)2 + (4)2 + (-12)2)
d = √(1 + 16 + 144)
d = √(161)
d = 12,69

Это радиус шара.

4
В общих случаях r = √((x2 — x1)2 + (y2 — y1)2 + (z2 — z1)2).
Возведем в квадрат обе части формулы и получим r2 = (x2 — x1)2 + (y2 — y1)2 + (z2 — z1)2. Обратите внимание, что эта формула напоминает уравнение сферы r2 = x2 + y2 + z2 при условии, что центр сферы имеет координаты (0,0,0). Каждая точка, лежащая на поверхности шара, равноудалена от его центра. Если мы возьмем формулу для вычисления расстояния между двумя точками и заменим в ней d на r, то мы получим формулу для вычисления радиуса шара.

Задача по физике — 1796

ГЛАВНАЯ » РЕШЕБНИК

2017-01-06    свинцовом шаре радиусом $R$ сделана сферическая полость, которая касается поверхности шара и проходит через его центр, Масса шара до того, как была сделана полость, разнялась $M$. С какой силой $F$ свинцовый шар будет притягивать маленький шарик массой $m$, находящийся на расстоянии $r$ от центра свинцового шара на прямой, соединяющей центры шаров и полости, со стороны полости (рис.)?

Решение:Если бы свинцовый шар был сплошной, то он притягивал бы маленький шарик с силой
$F_{спл} = G \frac{Mm}{r^{2}}$,
где $G$ — гравитационная постоянная. Можно считать, что сила притяжения $F_{спл}$ сплошного шара складывается из двух сил: из силы притяжения нашего шара со сферической полостью внутри (на рис. заштрихован) и силы притяжения меньшего шара радиуса $R/2$, заполняющего сферическую полость в нашем шаре. Цель задачи — иайти первую силу.
Масса шара, который заполнил бы сферическую полость, равна
$M_{пол} = (4/3) \pi \rho (R/2)^{3} = M/8$,
а центр его лежит на расстоянии $r — R/2$ от шарика массы $m$. Искомая сила, равная разности сил притяжения сплошного шара и меньшего шара, заполняющего сферическую полость, выразится так:
$F = G \frac{Mm}{r^{2}} — G \frac{(M/8)m}{(r-R/2)^{2}} = GMm \left [ \frac{7r^{2} — 8rR + 2R^{2}}{8r^{2}(r — R/2)^{2}} \right ]$.
Очень часто эту задачу решают неверно. Так как ошибка поучительна, мы приведем решение и разъясним, в чем ошибка.
Вычислялось положение нового центра масс свинцового шара после того, как в нем сделана полость; расстояние нового центра масс от центра шара можно определить из уравнения
$Mgx = (M/8)g(R/2 + x)$,
откуда $x = R/14$. Затем определялась сила притяжения свинцовым шаром с полостью (масса его равна $(7/8)M$) шарика массы $m$ так, как будто это две точечные массы, находящиеся на расстоянии $l + R/14$ друг от друга, т. е. по формуле
$F = G \frac{(7/8)Mm}{(l+R/14)^{2}}$.
Нетрудно видеть, что этот результат отличается от полученного нами решения. Они совпадают, только если $R \ll l$. Ошибка заключается в неправильном предположении, что шар с полостью притягивает массу $m$ так же, как его притягивала бы точечная масса той же величины, помещенная там, где находится центр масс шара с полостью.
Центр масс есть точка приложения равнодействующей всех параллельных сил, действующих на определенные элементы тела, причем каждая из этих сил пропорциональна массе данного элемента тела. Но силы, с которыми на массу $m$ действуют отдельные элементы шара, во-первых, не параллельны друг другу, так как все они направлены к точке $m$; и во-вторых, хотя они и пропорциональны массам элементов тела, но для элементов равной массы, вообще говоря, различны, так как зависят от расстояния данного элемента до точки $m$. Поэтому заменять силу тяготения данного тела силой тяготения точечной массы такой же величины, помещенной в центре масс данного тела, вообще говоря, нельзя, Только в специальных случаях, когда размеры тел малы по сравнению с расстоянием между ними (т. е. когда тела можно считать материальными точками) или когда притягивающее тело особо симметричной формы, например однородный шар, можно вычислять силу тяготения этого тела, считая, что вся его масса сосредоточена в центре масс Этим последним обстоятельством мы и пользовались, когда вычисляли силы тяготения сплошного шара и заполняющего полость меньшего шара.

Рождение формулы

Принято считать, что первый, кто нашёл и вывел формулу объёма и площади шара, был Архимед. Это величайший древнегреческий учёный, живший за 300 лет до нашей эры. Он был не только математиком, но и физиком, и инженером. Он один из первых людей, кто попытался «оцифровать» окружающий нас мир. Его теоремы и труды используются по сей день.

Именно Архимед определил границы числа «пи» и обозначил их, не имея никаких современных гаджетов. Сам Архимед очень гордился найденной формулой, с помощью которой вычисляется объём шара. Его потомки в честь этого изобразили на его могильном камне цилиндр и шар.

Если бы каким-то чудом он переродился в наше время, то он сразу же смог бы преобразить этот мир и вывести его на новый уровень.

Касательная плоскость к сфере

Плос-ть, имеющая со сферой строго одну общую точку, именуется касательной плоскостью к сфере.

Действительно, если плос-ть касается окруж-ти, то точка касания А должна располагаться на расстоянии R от центра сферы О, где R– радиус сферы. Все остальные точки касательной плос-ти находятся вне пределов сферы, то есть должны находиться от О на расстоянии, превышающем R. Это значит, что отрезок ОА должен быть кратчайшим отрезком, соединяющим О и касательную плос-ть. Но мы знаем, что кратчайший отрезок между плос-тью и точкой – это как раз перпендикуляр, опущенный из точки на плос-ть.

Справедливо и обратное утверждение:

Доказательство. Если радиус ОА – перпендикуляр к плос-ти α, то он является кратчайшим расстоянием между плос-тью и центром О. Тогда все остальные точки плос-ти располагаются на большем расстоянии от О, чем точка А. Это значит, что они не располагаются на сфере. Значит, у сферы и плос-ти α одна общая точка А, а потому α по определению – касательная плос-ть.

По аналогии с касательной плос-тью существует понятие касательной прямой к сфере.

Касательная к сфере обладает почти теми же свойствами, что и касательная к окруж-ти.

Доказательство. Пусть m– касательная прямая к сфере с центром О. обозначим точку касания как А. Далее через прямую m и центр О проведем плос-ть α. Нам надо показать, что ОА⊥m:

Плос-ть α будет диаметральной плос-тью. Сечение будет иметь форму окруж-ти с центром О и радиусом ОА. Прямая m будет касательной к этой окруж-ти, ведь она имеет с ней общую точку А, а второй общей точки m и окруж-ть иметь не могут, ведь такая бы точка была бы также общей для m и сферы, а m по определению имеет лишь одну общую точку со сферой. Напомним, что касательная к окруж-ти перпендикулярна радиусу, то есть m⊥ОА, ч. т. д.

Будет верным и обратное утверждение:

Для доказательства используем ту же картинку. Известно, что m⊥ОА, надо показать, что m– касательная к сфере. Проведем через пересекающиеся прямые m и ОА плос-ть α. Она снова окажется диаметральной плоскостью, и снова сечением будут окруж-ть с радиусом ОА. По признаку касательной, который мы изучали в планиметрии, m– касательная к этой окруж-ти, ведь m⊥ОА. То есть в плос-ти α есть лишь одна общая точка m и сферы. В других плос-тях у них не может быть общих точек, так как m полностью принадлежит α. В итоге у m и сферы только одна общая точка, а потому m– касательная к сфере, ч. т. д.

Рассмотрим ещё одно утверждение:

Сначала разберемся с понятием отрезков касательных. Пусть из точки А, лежащей вне сферы, к ней проведены две касательные, а точки касания обозначены буквами В и С. Тогда АВ и АС как раз и будут отрезками касательных:

Докажем, что эти отрезки одинаковы. Для этого к точкам касания проведем радиусы ОВ и ОС. Теперь сравним ∆АВО и ∆АСО. Они прямоугольные, ведь ОВ⊥АВ по свойству касательной, и ОС⊥АС. Гипотенуза АО у этих треугольников общая, а катеты ОВ и ОС – это одинаковые радиусы. Получается, что ∆АВО и ∆АСО равны, а потому отрезки АВ и АС одинаковы.

Задание. Дан шар радиусом 10 см, к которому проведена касательная плос-ть α. Через точку касания проведена секущая плос-ть β, образующая с α угол в 30°. Вычислите площадь сечения шара плос-тью β.

Решение. Обозначим точку касания как А. Опустим из центра сферы о перпендикуляр ОН на плос-ть β. Тогда отрезок АН будет радиусом сечения. Так как угол между плос-тями α и β составляет 30° (на рисунке он показан как ∠НАС), то

Ответ: 25π см2.

Задание. Некоторое тело представляет собой шар, внутри которого есть полость, также имеющая форму шара, причем центры этих шаров совпадают. Докажите, что площадь сечения этого тела, проходящего через центр шаров, совпадает с площадью сечения, являющегося касательной к внутреннему шару.

Решение. Обозначим радиус большей сферы как R, а радиус меньшей (внутренней сферы) как r. Площадь центрального сечения в виде кольца (показано синим цветом) представляет собой разницу между площадью большого круга с радиусом R и малого с радиусом r:

Задание. Сфера радиусом 5 см касается каждой стороны треугольника со сторонами 13, 14 и 15 см. Каково расстояние между центром этой сферы и плос-тью треугольника?

Решение. Обозначим вершины треугольника точками А, В и С. Пусть

AB = 13

AC = 14

BC = 15

Заметим, что плос-ть АВС – секущая, а само сечение имеет форму окруж-ти. Эта окруж-ть будет касаться сторон ∆АВС, то есть она является вписанной окруж-тью. Как вычислить ее радиус НK?

Напомним одну из формул для расчета площади треугольника:

Площадь ∆АВС можно найти по формуле Герона. Предварительно найдем полупериметр ∆АВС:

Пересечение сферы плоскостью

Рассмотрим ситуацию, когда секущая плоскость α пересекает сферу. Нас в первую очередь интересует форма получающегося сечения. Опустим из точки О, центра сферы, перпендикуляр ОН на секущую плос-ть (пока мы рассматриваем случай, когда секущая плос-ть проходит не через О):

Буквами А и В обозначим любые две точки сечения, которые принадлежат одновременно и сфере, и плос-ти α. Теперь сравним ∆ОНА и ∆ОНВ. Они прямоугольные, ведь ОН – перпендикуляр к α. При этом у них есть общий катет ОН и одинаковые гипотенузы ОА и ОВ (это радиусы одной сферы).Тогда эти ∆ОНА и ∆ОНВ одинаковы, и поэтому

AH = BH

Мы выбрали точки А и В произвольно, и они оказались равноудаленными от Н. Значит, А и В находятся на одной окруж-ти с центром Н. Легко показать и обратное – любая точка этой окруж-ти будет лежать и на сфере (попробуйте сделать этот сами). Значит, сечение имеет форму окруж-ти, причем ее центр – это основание перпендикуляра, проведенного из О на α.

Обозначим длину перпендикуляра ОН буквой h, радиус сферы буквой R и радиус сечения буквой r. Тогда, используя теорему Пифагора, мы можем составить формулу для расчета радиуса r сечения:

Видно, что чем длиннее перпендикуляр h(он представляет собой расстояние от О до α), тем меньше радиус сечения. Тогда ясно, что наибольший радиус будет у того сечения, которое проходит через центр О. Действительно, если сечение проходит через О, то все его точки по определению сферы будут удалены на расстояние R от О. Но уже по другому определению такое множество точек – окруж-ть с центром в О и радиусом R. Плос-ть, проходящая через центр сферы, именуется диаметральной плоскостью, а само сечение именуют большой окружностью сферы. Радиус большой окруж-ти совпадает с радиусом самой сферы.

Задание. Сфера с радиусом 41 пересечена плос-тью, которая находится на расстоянии 9 от центра этой сферы. Найдите площадь сечения.

Решение. Опустим из центра сферы О перпендикуляр ОН на секущую плос-ть, тогда по условию ОН = 9. Пусть А – точка на сечении, тогда ОА = 41. ∆ОНА – прямоугольный, поэтому мы можем найти радиус АН:

Теперь площадь сечения можно рассчитать по известной формуле площади круга:

Ответ: 1600π.

Задание. Докажите, что если через три точки сферы провести окруж-ть, то все точки этой окруж-ти будут также принадлежать сфере.

Решение. Пусть на сфере есть точки А, В, С. Проведем через них окруж-ть L. Надо доказать, что произвольная точка D, принадлежащая этой окруж-ти, также будет находиться на сфере.

Через точки А, В и С можно провести единственную плос-ть АВС. Она будет секущей для сферы, ведь она имеет с ней как минимум три общих точки – А, В и С. Формой этого сечения будет некоторая окруж-ть L1. Lобязательно будет проходить через А, В и С. Но через любые три точки можно провести не более одной окружности, поэтому L и Lсовпадают. Значит, D, принадлежащая по условию L, будет также принадлежать и L1. Но L1– это сечение, все его точки, в том числе и D, принадлежат сфере, ч. т. д.

Есть смысл запомнить доказанное утверждение:

Задание. На сфере радиусом 13 отмечены точки А, В и С так, что АВ = 6, ВС = 8 и АС = 10. Каково расстояние между центром сферы и плос-тью АВС?

Решение. Сначала заметим, что ∆АВС является прямоугольным, ведь его стороны удовлетворяют теореме Пифагора:

Напомним одного из свойств прямоугольного треугольника – центр окруж-ти, описанной около него, совпадает с серединой его гипотенузы. То есть если через точки А, В и С провести окруж-ть, то ее центр Н будет серединой АВ, и поэтому

Теперь заметим, что эта описанная окруж-ть должна быть сечением сферы. Это значит, что ОН – перпендикуляр к плос-ти АВС, ведь центр сечения должен лежать на перпендикуляре к плос-ти, проведенном из О. Тогда ∆ОНС – прямоугольный, и ОН – искомое нами расстояние. ОС – радиус сферы. Рассчитаем по теореме Пифагора ОН:

Терминология и сферическая геометрия

Окружность на шаре, которая имеет тот же центр и радиус, что и сама фигура, а следовательно, делит её на две части, называется большим кругом. Если конкретную (произвольную) точку этого геометрического тела обозначить как его северный полюс, то соответствующая антиподальная точка будет южным полюсом. А большой круг станет экватором и будет равноудалённым от них. Если он будет проходить через два полюса, тогда это уже линии долготы (меридианы).

Многие теоремы из классической геометрии верны и для сферической, но отнюдь не все, потому что сфера не удовлетворяет некоторым аксиомам, например, постулату параллельности. Такая же ситуация складывается и в тригонометрии — отличия есть во многих отношениях. Например, сумма внутренних углов сферического треугольника всегда превышает 180 градусов. Помимо этого, две таких одинаковых фигуры будут конгруэнтными.

Что такое шар?

В стереометрии есть большой раздел, который называется фигуры вращения. Об этом редко говорят в школе, но плоские фигуры можно вращать вокруг какой-либо оси или точки. Так получаются объемные фигуры.

Например, цилиндр образован вращением прямоугольника или квадрата. Поэтому, если рассечь цилиндр плоскостью, то сечение примет форму того самого квадрата или прямоугольника, который вращали, чтобы получить фигуру.

Так же и шар образован вращением. Как не трудно догадаться, основной для шара послужил круг. Причем сразу стоит сказать, что именно круг, а не окружность.

Следует понимать, что круг и окружность разные фигуры. Так окружность представляет собой набор точек равноудаленных от центра. Переводя на более простой язык окружность – это сама линия и центр окружности. А круг включает в себя и все внутреннее пространство. У окружности не может быть площади.

То есть, шар имеет какое-то внутренне заполненное пространство. Интересно, что сфера так же имеет пространство внутри, только условно полое.

Свойства радиуса

В отношении радиуса действуют несколько важных правил:

  1. Радиус составляет половину диаметра. Это мы продемонстрировали только что.
  2. У окружности может быть сколько угодно радиусов. Но все они будут равны по длине между собой.

  3. Если в точке пересечения радиуса с поверхностью окружности провести касательную, то эти две линии будут пересекаться под прямым углом. Доказательство этой теоремы наглядно приводится на следующем рисунке.

  4. Напомним, хордой называется любой отрезок, который проходит через две точки на поверхности окружности, но не через центр. Этим она принципиально отличается от диаметра.

Построение окружности

Для того, чтобы построить окружность используют специальный прибор, который называется циркулем (Рис.6). Циркуль состоит из двух частей, соединённых шарниром. Обычно на конце одной из них располагается игла, на конце другой — пишущий предмет, например грифель карандаша.

Выполнение построения:

  • отмечаем точку, которая будет центром окружности;
  • делаем нужный раствор циркуля (расстояние между иглой и грифелем карандаша), т.е. определяем радиус окружности, которую нам нужно построить (Рис.7);
  • ставим иглу циркуля в точку, которая определяет центр окружности;
  • проводим окружность данного радиуса (Рис.8).

Часть плоскости, которая лежит внутри окружности (вместе с самой окружностью), называют кругом (Рис.9).

Шар и сфера

Сфера — поверхность, состоящая из всех точек пространства, расположенных на заданном расстоянии от данной точки.

Центр сферы — данная точка (точка О на рисунке выше).

Радиус сферы — данное расстояние (R на рисунке выше), также это любой отрезок, соединяющий центр сферы с какой-либо ее точкой.

Диаметр сферы — отрезок, соединяющий две точки сферы и проходящий через ее центр. Диаметр сферы в два раза больше ее радиуса, т.е. если радиус сферы — R, то ее диаметр — 2R.

Терминология и сферическая геометрия

Окружность на шаре, которая имеет тот же центр и радиус, что и сама фигура, а следовательно, делит её на две части, называется большим кругом. Если конкретную (произвольную) точку этого геометрического тела обозначить как его северный полюс, то соответствующая антиподальная точка будет южным полюсом. А большой круг станет экватором и будет равноудалённым от них. Если он будет проходить через два полюса, тогда это уже линии долготы (меридианы).

Многие теоремы из классической геометрии верны и для сферической, но отнюдь не все, потому что сфера не удовлетворяет некоторым аксиомам, например, постулату параллельности. Такая же ситуация складывается и в тригонометрии — отличия есть во многих отношениях. Например, сумма внутренних углов сферического треугольника всегда превышает 180 градусов. Помимо этого, две таких одинаковых фигуры будут конгруэнтными.

Применение формулы

Рассмотрим на примере, как вычислить площадь круглого шара, диаметр которого равен 50 см. Следуя формуле, нужно 50 разделить на два (чтобы получить радиус), возвести полученное число в квадрат и умножить всё это дело сначала на 4, затем на 3,14. В итоге получим число в 7 850 квадратных сантиметров.

Формула вычисления площади применяется не только среди учителей в школе и научных сотрудников в лаборатории. Данная формула может пригодиться обычному маляру. Ведь если шар большой, а краски мало, то возникает вопрос – хватит ли ему этой смеси, чтобы покрасить весь объект. И это далеко не единственный бытовой случай, где может пригодиться формула.

Формула вычисления объёма может пригодиться и строительной бригаде, что делает ремонт

И неважно, какой это объект – промышленное здание, небольшой дом или обычная квартира. Этим и отличаются профессионалы – они умеют применять свои знания на практике

Но как быть, если не представляется возможным измерить объект? Такой вопрос может возникнуть в случае огромных размеров объекта или его недосягаемости. В этом случае могут помочь электронные технологии, в основе работы которых лежит сканирование пространства определёнными частотами и лазерами. С современными технологиями необязательно знать все формулы наизусть. Достаточно иметь подключение к интернету и зайти на любой онлайн-калькулятор.

Нахождение радиуса по расстоянию между двумя точками

  1. 1

    Найдите координаты (х,у,z) центра шара.

    Рассмотрим пример. Дан шар с центром с координатами (4,-1,12). Воспользуйтесь этими координатами, чтобы найти радиус шара.

    Радиус шара равен расстоянию между его центром и любой точкой, лежащей на поверхности шара. Если известны координаты центра шара и любой точки, лежащей на его поверхности, можно найти радиус шара по специальной формуле, вычислив расстояние между двумя точками. Сначала найдите координаты центра шара. Имейте в виду, что так как шар является трехмерной фигурой, то точка будет иметь три координаты (х,у,z), а не две (х,у).

  2. 2

    Найдите координаты точки, лежащей на поверхности шара. Теперь нужно найти координаты (х,у,z) любой

    В нашем примере допустим, что некоторая точка, лежащая на поверхности шара, имеет координаты (3,3,0). Вычислив расстояние между этой точкой и центром шара, вы найдете радиус.

    точки, лежащей на поверхности шара. Так как все точки, лежащие на поверхности шара, расположены на одинаковом расстоянии от центра шара, для вычисления радиуса шара можно выбрать любую точку.

  3. 3

    Вычислите радиус по формуле d = √((x2 – x1)2 + (y2 – y1)2 + (z2 – z1)2). Узнав координаты центра шара и точки, лежащей на его поверхности, вы можете найти расстояние между ними, которое равно радиусу шара. Расстояние между двумя точками вычисляется по формуле d = √((x2 – x1)2 + (y2 – y1)2 + (z2 – z1)2), где d – расстояние между точками, (x1,y1,z1) – координаты центра шара, (x2,y2,z2) – координаты точки, лежащей на поверхности шара.

    • В рассматриваемом примере вместо (x1,y1,z1) подставьте (4,-1,12), а вместо (x2,y2,z2) подставьте (3,3,0):
      • d = √((x2 – x1)2 + (y2 – y1)2 + (z2 – z1)2)
      • d = √((3 – 4)2 + (3 – -1)2 + (0 – 12)2)
      • d = √((-1)2 + (4)2 + (-12)2)
      • d = √(1 + 16 + 144)
      • d = √(161)
      • d = 12,69. Это искомый радиус шара.
  4. 4

    Имейте в виду, что в общих случаях r = √((x2 – x1)2 + (y2 – y1)2 + (z2 – z1)2). Все точки, лежащие на поверхности шара, расположены на одинаковом расстоянии от центра шара. Если в формуле для нахождения расстояния между двумя точками “d” заменить на “r”, получится формула для вычисления радиуса шара по известным координатам (x1,y1,z1) центра шара и координатам (x2,y2,z2

    Возведите обе стороны этого уравнения в квадрат, и получите r2 = (x2 – x1)2 + (y2 – y1)2 + (z2 – z1)2. Отметьте, что это уравнение соответствует уравнению сферы r2 = x2 + y2 + z2 с центром с координатами (0,0,0).

    ) любой точки, лежащей на поверхности шара.

Уравнение сферы

В планиметрии мы уже изучали уравнения линии. Так назывались ур-ния с двумя переменными, каждое решение которых соответствовало точке на координатной плос-ти, принадлежавшей заданной линии. Если же точка не принадлежала линии, то ее координаты решением соответствующего ур-ния не являлись. В частности, нам удалось получить уравнения прямой и окружности.

Аналогично в стереометрии вводится понятие уравнения поверхности. Так как в пространстве используются уже три координаты (х, у и z), то ур-ния поверхности содержат три переменных. Координаты всякой точки, принадлежащей поверхности, будут являться решениями ур-ния этой поверхности. И наоборот, координаты точки, не принадлежащей поверхности, будут обращать ур-ние поверхности в неверное равенство.

Выведем ур-ние сферы. Пусть ее центр располагается в точке С с координатами (х, у, z), а радиус обозначен как R. Возьмем произвольную точку А на сфере. По определению сферы расстояние между А и С должно составлять R:

Мы уже знаем формулу для расчета расстояния между А и С:

Точки, координаты которых удовлетворяют этому неравенству, находятся от центра сферы на расстоянии меньше ее радиуса. Это значит, что они находятся внутри сферы, то есть принадлежат шару, чьей поверхностью является рассматриваемая сфера. Если же координаты точки удовлетворяют неравенству

то можно утверждать, что точка находится вне пределов сферы, то есть она не принадлежит ни сфере, ни шару.

Задание. Напишите уравнение сферы, центр которой располагается в точке (2; – 4; 7) и чей радиус равен 3.

Решение. Здесь мы просто подставляем координаты центра сферы и ее радиус в ур-ние сферы:

Задание. Есть сфера с радиусом 9, чей центр располагается в точке О(2; 3; 4). Определите, какие из следующих точек будут принадлежать этой сфере: А(1; 7; – 4), В(0; 6; 10), С(– 2; – 1; 11), D(5; 6; 8).

Решение. Сначала составляем уравнение сферы, описанной в условии:

Равенство неверное, значит, В не располагается на сфере (более того, раз 49 < 81, то можно утверждать, что точка располагается внутри сферы). Далее проверяем точку С(– 2; – 1; 11):

Задание. Докажите, что ур-ние

является ур-нием сферы, после чего определите радиус этой сферы.

Решение. Здесь необходимо выполнить некоторые преобразования ур-ния, чтобы оно стало похожим на ур-ние сферы. Для этого используем формулы квадратов суммы и разности:

Основные характеристики окружности

1. Радиус — это отрезок, соединяющий центр с какой-либо точкой окружности. У любой окружности можно провести бесконечно много радиусов, которые будут иметь одну и ту же длину. Обозначают радиус r или R. На Рис.2 представлена окружность с центром в точке О радиусом ОА.

2. Хорда — это отрезок, соединяющий две точки окружности. У любой окружности можно провести бесконечно много хорд. На Рис.3 ВС и KD — хорды окружности с центром в точке О.

3. Диаметр — это отрезок, соединяющий две точки окружности и проходящий через ее центр (т.е. диаметр — это частный случай хорды). У любой окружности можно провести бесконечно много диаметров, которые будут иметь одну и ту же длину. На Рис.4 МN — диаметр окружности с центром в точке О. Обозначают диаметр d или D. Диаметр в два раза больше радиуса, т.е. d = 2r (D = 2R), откуда r = d : 2 (R = D : 2), следовательно, центр окружности (точка О) является серединой диаметра.

4. Дуга — это часть окружности, ограниченная двумя точками. На Рис.5 KDC и KBC — дуги, ограниченные точками К и С.

Одиннадцать свойств

В своей книге «Геометрия и воображение» Дэвид Гилберт и Стефан Кон-Фоссен описывают свойства сферы и обсуждают, однозначны ли такие характеристики. Несколько пунктов справедливы и для плоскости, которую можно представить как шар с бесконечным радиусом:

  1. Точки на сфере находятся на одинаковом расстоянии от одной фиксированной, называемой центром. Можно сделать единственный вывод: это обычное определение и оно однозначно. А также отношение расстояний между двумя фиксированными точками является постоянным. И здесь прослеживается аналогия с окружностями Аполлония, то есть с фигурами в плоскости.
  2. Контуры и плоские участки сферы являются кругами. Это однозначное свойство, которое определяет шар.
  3. Сфера имеет постоянную ширину и обхват. Ширина поверхности — это расстояние между парами параллельных касательных плоскостей. Множество других замкнутых выпуклых поверхностей имеют постоянную ширину, например, тело Мейснера. Обхват поверхности — это окружность границы её ортогональной проекции на плоскость. Каждое из этих свойств подразумевает другое.
  4. Все точки сферы омбилические. В любой точке поверхности вектор нормали расположен под прямым углом к ней, поскольку шар — это линии, выходящие из его центра. Пересечение плоскости, которая содержит нормаль с поверхностью, сформирует кривую — нормальное сечение. Любая замкнутая поверхность будет иметь как минимум четыре точки, называемых омбилическими. Для сферы кривизны всех нормальных сечений одинаковы, поэтому омбилической будет каждая точка.
  5. У шара нет центра поверхности. Например, два центра, соответствующие минимальной и максимальной секционной кривизне, называются фокальными точками, а совокупность всех таких точек образует одноимённую поверхность. И только у шара она преобразуется в единую точку.
  6. Все геодезические сферы являются замкнутыми кривыми. Для этой фигуры они большие круги. Многие другие поверхности разделяют это свойство.
  7. Имеет наименьшую площадь при наибольшем объёме. Это определяет шар однозначно. Например, мыльный пузырь: его окружает фиксированный объём, поверхностное натяжение минимизирует площадь его поверхности для такого объёма. Конечно, пузырь не будет идеальным шаром, поскольку внешние силы, такие как гравитация, будут искажать его форму.
  8. Сфера — единственная вложенная поверхность, у которой нет границы или сингулярностей с постоянной положительной средней кривизной.
  9. Сфера имеет наименьшую общую среднюю кривизну среди всех выпуклых тел с заданной площадью поверхности.
  10. Шар имеет постоянную гауссову кривизну. Это внутреннее свойство, которое определяется путём измерения длины и углов и не зависит от того, как поверхность встроена в пространство.

По площади сектора и центральному углу

  1. Запишите формулу для вычисления площади сектора.

  2. 2

    В формулу подставьте значения площади сектора и центрального угла. Эти значения должны быть даны в задаче. Убедитесь, что известна площадь сектора, а не площадь круга. Значение площади сектора подставляется вместо переменной , а значение центрального угла вместо переменной

    Например, если площадь сектора равна 50 см2, а центральный угол равен 120 градусов, формула запишется следующим образом: .

    .

  3. 3

    Разделите центральный угол на 360. Так вы определите, какую часть круга занимает сектор.

  4. 4

    Изолируйте .

    Например:

    Для этого разделите обе части формулы на обыкновенную дробь или десятичную дробь, равную части, которую занимает сектор на круге. Если вы не пользуетесь калькулятором, делите на обыкновенную дробь. С помощью калькулятора можно разделить на десятичную дробь, но помните, что чем меньше цифр после десятичной запятой, тем менее точный результат вы получите.

  5. 5

    Разделите обе части формулы на . Так вы изолируете переменную . Чтобы получить более точный результат, воспользуйтесь калькулятором. Число

    Например:

    округлите до 3,14159 или до 3,14.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Мастер по всему
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector