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球、截面与典型空间模型

基础更新于 2026-09-29

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球心到平面的距离决定球的截面;空间对称性常帮助定位球心。

球、球面与平面截形

空间中与定点 OO 距离等于 R>0R>0 的所有点构成球面;距离不超过 RR 的所有点构成球。OO 为球心,RR 为半径。球面只有边界,球包括内部,描述截形时须区分二者。

半径为 RR 的球的表面积和体积分别为

S=4πR2,V=43πR3.S=4\pi R^2,\qquad V=\frac43\pi R^3.

这里采用高中几何的球面积、体积基本公式;本篇不以示意图替代它们的面积、体积理论证明。

平面截球的三种情况

设 HH 为球心 OO 到平面 Π\Pi 的垂足,d=OH≥0d=OH\ge0。对平面中任一点 PP,勾股定理给出

OP2=d2+HP2.OP^2=d^2+HP^2.

因此:

  • d<Rd<R:球面与平面相交成圆周,圆心为 HH,半径为 ρ=R2−d2\rho=\sqrt{R^2-d^2};球与平面的交集为该圆及其内部。
  • d=Rd=R:只有 HH 一个公共点,平面与球相切。
  • d>Rd>R:没有公共点。

上面的等式同时证明了必要性和充分性:平面中的点在球面上,当且仅当 HP2=R2−d2HP^2=R^2-d^2。通过球心的截面圆称为大圆,半径为 RR,是所有截面圆中最大的。

球面上两点的球面距离通常指连接它们的大圆劣弧长,等于 RθR\theta,其中 θ∈[0,π]\theta\in[0,\pi] 为相应圆心角的弧度数;它与空间直线距离 2Rsin⁡(θ/2)2R\sin(\theta/2) 不同。

经纬度、圆心角与球面距离

把地球理想化为半径 R>0R>0 的球,纬度 φ∈[−π/2,π/2]\varphi\in[-\pi/2,\pi/2](北正南负)、经度 λ\lambda(选定东正方向)的点可写成

P=R(cos⁡φcos⁡λ,cos⁡φsin⁡λ,sin⁡φ).P=R(\cos\varphi\cos\lambda,\cos\varphi\sin\lambda,\sin\varphi).

两点经纬度为 (λ1,φ1),(λ2,φ2)(\lambda_1,\varphi_1),(\lambda_2,\varphi_2),点乘求得较小圆心角 θ∈[0,π]\theta\in[0,\pi] 满足

cos⁡θ=sin⁡φ1sin⁡φ2+cos⁡φ1cos⁡φ2cos⁡(λ1−λ2).\cos\theta=\sin\varphi_1\sin\varphi_2+\cos\varphi_1\cos\varphi_2\cos(\lambda_1-\lambda_2).

连接两点的大圆劣弧长为 RθR\theta,弦长则为 2Rsin⁡(θ/2)2R\sin(\theta/2),不可混同。对径点有多个大圆可选,但劣弧长度都为 πR\pi R。

同一纬圈的半径为 Rcos⁡φR\cos\varphi,沿纬圈走经度差对应的弧长为 Rcos⁡φ ∣Δλ∣R\cos\varphi\,|\Delta\lambda|;除赤道等特殊情形外,它不是大圆距离。角度计算弧长时均用弧度。

例:长方体外接球

边长为 a,b,ca,b,c 的长方体,中心到八个顶点距离相同,所以外接球半径为 a2+b2+c2/2\sqrt{a^2+b^2+c^2}/2。边长 2,3,62,3,6 时半径为 7/27/2。

球的截面与外接球半径如何转化

半径为 RR 的球被距球心 dd 的平面所截:0≤d<R0\le d<R 时截面圆半径为 R2−d2\sqrt{R^2-d^2};d=Rd=R 时只有切点;d>Rd>R 时无交集。切点不是半径为正的圆面。

对于高为 hh 的直三棱柱,若底面三角形的外接圆半径为 rr,球心位于两底面外心连线的中点。由直角三角形,外接球半径 R=r2+h2/4R=\sqrt{r^2+h^2/4}。例如底面是边长 22 的等边三角形,高 22,则 r=2/3r=2/\sqrt3,R=7/3R=\sqrt{7/3}。这里要求直棱柱;斜棱柱的相应中点未必与六个顶点等距。

正棱锥的外接球:允许球心在底面下方

设正棱锥的高为 h>0h>0,底面外接圆半径为 r0>0r_0>0,底面中心为 HH,顶点为 PP。球心 OO 位于轴 PHPH 所在直线上,但未必在线段 PHPH 内。

取底面为 z=0z=0、HH 为原点、P=(0,0,h)P=(0,0,h),设 O=(0,0,t)O=(0,0,t)。底面各顶点到底面中心距离均为 r0r_0。到顶点和到底面顶点等距给出

(h−t)2=t2+r02,(h-t)^2=t^2+r_0^2,

所以

t=h2−r022h,R=h−t=h2+r022h.t=\frac{h^2-r_0^2}{2h},\qquad R=h-t=\frac{h^2+r_0^2}{2h}.

这里 h−t>0h-t>0,故 RR 确实是球心到顶点的距离。h>r0h>r_0 时球心在底面上方;h=r0h=r_0 时在底面中心;h<r0h<r_0 时在底面下方。若先假设球心在线段内,就会漏掉第三种情形。

此模型也适用于底面各顶点共圆、顶点位于底面外心垂线上的棱锥。一般斜棱锥不满足这一条件,应根据各顶点等距另解球心。

正四面体的高、面积、体积与内外接球

设正四面体所有棱长为 a>0a>0。取一面为底面,底面中心 HH 到底面顶点的距离为 a/3a/\sqrt3,顶点 PP 在 HH 正上方。勾股定理给高

h=a2−a2/3=a63.h=\sqrt{a^2-a^2/3}=\frac{a\sqrt6}{3}.

每面是面积为 3a2/4\sqrt3a^2/4 的等边三角形,因此表面积和体积为

S=3a2,V=133a24h=2a312.S=\sqrt3a^2,\qquad V=\frac13\frac{\sqrt3a^2}{4}h=\frac{\sqrt2a^3}{12}.

外接球心在轴 PHPH 上。设它距底面的有向高度为 tt,到顶点 PP 的距离平方与到底面任一顶点的距离平方相同,故

(h−t)2=t2+a23.(h-t)^2=t^2+\frac{a^2}{3}.

用 h2=2a2/3h^2=2a^2/3 解得 t=h/4t=h/4,所以外接球半径为

R=h−t=3h4=a64.R=h-t=\frac{3h}{4}=\frac{a\sqrt6}{4}.

正四面体的对称性使同一点到四个面等距,为内切球心;也可由 V=rS/3V=rS/3 求得

r=3VS=h4=a612,R=3r.r=\frac{3V}{S}=\frac h4=\frac{a\sqrt6}{12},\qquad R=3r.

这些比例属于正四面体,不能直接套到只有某几条棱相等的一般四面体。一般四面体的内外接球见四面体模型。

截面与折叠

截平面与同一面的交线是直线;与一对平行面的交线互相平行。作截面时逐面寻找交点,并确认交点落在棱段内。折叠保留各面内的长度与角度,但不同面之间的距离、二面角可以改变,不能把折叠前平面上的全部距离照搬到空间。

空间轨迹中的直径球和定比球

设空间中 A≠BA\ne B,中点为 MM。极化恒等式在三维仍成立:

PA→⋅PB→=PM2−AB24.\overrightarrow{PA}\cdot\overrightarrow{PB}=PM^2-\frac{AB^2}{4}.

因此数量积为零的全部点构成以 ABAB 为直径的球面(若说夹角为直角,还须排除 A,BA,B)。数量积等于 dd 时,半径平方为 d+AB2/4d+AB^2/4;它可正、零、负,分别对应球面、单点、空集。

若 PA=λPBPA=\lambda PB,λ>0,λ≠1\lambda>0,\lambda\ne1,平方配方得球心与半径

C=A−λ2B1−λ2,r=λAB∣1−λ2∣.C=\frac{A-\lambda^2B}{1-\lambda^2},\qquad r=\frac{\lambda AB}{|1-\lambda^2|}.

λ=1\lambda=1 时轨迹为垂直平分面。再附加“PP 位于某个平面或多面体表面”,就应取球面与各面的交集,并把圆截成实际面内的圆弧。

例:A=(−1,0,0),B=(1,0,0)A=(-1,0,0),B=(1,0,0),若数量积为零且 z=1/2z=1/2,轨迹圆半径为 3/2\sqrt3/2。若还要求 x,y≥0x,y\ge0,只保留四分之一圆,弧长为 π3/4\pi\sqrt3/4。

定线面角首先对应圆锥面

固定点 OO 在平面 z=0z=0 上,动点 P=(x,y,z)≠OP=(x,y,z)\ne O。OPOP 与该平面成固定角 θ∈(0,π/2)\theta\in(0,\pi/2),等价于

z2=(x2+y2)tan⁡2θ.z^2=(x^2+y^2)\tan^2\theta.

这是双圆锥面,一般不是球面。只有再限制 z=h≠0z=h\ne0 等条件时,才在相应平面上得到半径 ∣h∣cot⁡θ|h|\cot\theta 的圆。

例如在单位正方体表面求 OPOP 与底面成 45∘45^\circ 的轨迹,顶面给圆弧,竖直侧面则需将 x=1x=1 或 y=1y=1 代入,检查所得曲线是否在面内。不能把各个面的轨迹都预先当成圆弧。θ=0,π/2\theta=0,\pi/2 要分别按平面内方向、法线方向处理。

关联阅读

进一步阅读:四面体内外接球与特殊模型。

先修:几何体的面积、体积与等体积法 · 空间向量、角与距离。

同主题:几何体的面积、体积与等体积法。

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