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球冠與球缺、球錐與立體角

2022-02-15 10:47 作者:匆匆-cc  | 我要投稿

????????球冠,是指一個(gè)球面被平面所截后剩下的曲面。

????????球冠的高,是指球冠頂點(diǎn)到截面的距離。

????????下面來(lái)推導(dǎo)球冠的面積。

????????不妨記母線與軸線的夾角為%5Ctheta,我們有

S%3D%5Cint%5E%5Ctheta_02%5Cpi%20R%5E2%5Csin%5Ctheta%20d%5Ctheta%3D2%5Cpi%20R%5E2(1-%5Ccos%5Ctheta)

????## 這里的計(jì)算方法和計(jì)算球體表面積類似,只是積分上下限變化,也可以用阿基米德那一套去做,不再重復(fù)證明。

????????這里有一個(gè)非常巧妙的結(jié)論。

S%3D2%5Cpi%20R%5E2(1-%5Ccos%5Ctheta)%3D2%5Cpi%20R%5Ccdot%20R(1-%5Ccos%5Ctheta)%3D2%5Cpi%20Rh

????????其中h為球冠的高。

????## 球冠與截面組成的圖形的體積,又稱球缺,會(huì)放在后面計(jì)算。

????????上圖是一個(gè)球錐(球冠加棱錐側(cè)面),全稱球面棱錐。

????????下面計(jì)算球錐的表面積與體積。

????????根據(jù)球冠面積的公式,得到

S%3D2%5Cpi%20R%5E2(1-%5Ccos%5Ctheta)%2B%5Cpi%20R%5Csin%5Ctheta%5Ccdot%20R%3D%5Cpi%20R%5E2(2%2B%5Csin%5Ctheta-2%5Ccos%5Ctheta)

????????根據(jù)體積與面積等比例分配的原理,得到

V%3DV_%7B%5Ctextbf%7B%E7%90%83%7D%7D%5Ccdot%5Cfrac%7B2%5Cpi%20R%5E2(1-%5Ccos%5Ctheta)%7D%7B4%5Cpi%20R%5E2%7D%3D%5Cfrac%7B4%7D%7B3%7D%5Cpi%20R%5E3%5Ccdot%5Cfrac%7B1-%5Ccos%5Ctheta%7D%7B2%7D%3D%5Cfrac%7B2%5Cpi(1-%5Ccos%5Ctheta)%7D%7B3%7D%5C%20R%5E3

????????我們來(lái)觀察其中等比例分配意味著什么。

????????在扇形面積推導(dǎo)中,我們同樣用到了等比例分配這件事。

S_%7B%5Ctextbf%7B%E6%89%87%7D%7D%3D%5Cpi%20R%5E2%5Ccdot%5Cfrac%7B%5Calpha%7D%7B2%5Cpi%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Calpha%20R%5E2

????????這里的%5Calpha是扇形的圓心角。

????????那么,我們是否可以認(rèn)為,一個(gè)三維空間內(nèi)的面同樣有角?

????????定義:以錐體的頂點(diǎn)為球心作球面,該錐體在球表面截取的面積與球半徑平方之比為該錐體的立體角。

????????立體角和角度一樣,是一個(gè)無(wú)量綱量。

????????根據(jù)定義,容易得到球冠的立體角為

%5COmega%20%3D%5Cfrac%7B2%5Cpi%20R%5E2(1-%5Ccos%5Ctheta)%7D%7BR%5E2%7D%3D2%5Cpi(1-%5Ccos%5Ctheta)

????????特別的,令

%5Ccos%5Ctheta%3D-1

????????得到球面的立體角為

%5COmega%20%3D4%5Cpi

????????據(jù)此,我們改寫(xiě)球冠表面積、球錐體積公式。

S%3D%5COmega%20R%5E2

V%3D%5Cfrac%7B%5COmega%20R%5E3%7D%7B3%7D

????????下面簡(jiǎn)單計(jì)算球冠與截面組成的圖形的體積。

%5Cbegin%7Balign%7D%0AV%26%3D%5Cfrac%7B2%5Cpi%20R%5E3(1-%5Ccos%5Ctheta)%7D%7B3%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20(R%5Csin%5Ctheta)%5E2%5Ccdot%20R%5Ccos%5Ctheta%0A%5C%5C%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20R%5E3(2-2%5Ccos%5Ctheta-%5Ccos%5Ctheta%5Ccdot%20%5Csin%5E2%5Ctheta)%0A%5C%5C%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20R%5E3%5B2-2%5Ccos%5Ctheta-%5Ccos%5Ctheta%5Ccdot%20(1-%5Ccos%5E2%5Ctheta)%5D%0A%5C%5C%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20R%5E3(2-3%5Ccos%5Ctheta%2B%5Ccos%5E3%5Ctheta)%0A%5Cend%7Balign%7D

????????如果用高表示,消去%5Ccos%5Ctheta,得到

%5Cbegin%7Balign%7D%0AV%26%3D%5Cfrac%7B2%5Cpi%20R%5E3(1-%5Ccos%5Ctheta)%7D%7B3%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20(R%5Csin%5Ctheta)%5E2%5Ccdot%20R%5Ccos%5Ctheta%0A%5C%5C%26%3D%5Cfrac%7B2%5Cpi%20R%5E2h%7D%7B3%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20R%5E2(1-%5Ccos%5E2%5Ctheta)(R-h)%0A%5C%5C%26%3D%5Cfrac%7B2%5Cpi%20R%5E2h%7D%7B3%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cpi%20R%5E2%5Cleft(1-%5Cleft(1-%5Cfrac%7Bh%7D%7BR%7D%5Cright)%5E2%5Cright)(R-h)%0A%5C%5C%26%3D%5Cpi%20h%5E2%5Cleft(R-%5Cfrac%7Bh%7D%7B3%7D%5Cright)%0A%5Cend%7Balign%7D

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