Шар ( сфера )
Сферическая поверхность. Шар (сфера). Сечения шара: круги.
Теорема Архимеда. Части шара:шаровой (сферический) сегмент,
шаровой слой, шаровой пояс, шаровой сектор.
Сферическая поверхность – это геометрическое место точек ( т.е. множе ство всех точек ) в пространстве, равноудалённых от одной точки O, которая называется центром сферической поверхности ( рис.90 ). Радиус AOи диаметр AB определяются так же, как и в окружности.
Шар (сфера ) - это тело, ограниченное сферической поверхностью. Можно получить шар, вращая полукруг (или круг ) вокруг диаметра. Все плоские сечения шара – круги (рис.90 ). Наибольший круг лежит в сечении, проходящем через центр шара, и называется большим кругом . Его радиус равен радиусу шара. Любые два больших круга пересекаются по диаметру шара (AB, рис.91 ).Этот диаметр является и диаметром пересекающихся больших кругов. Через две точки сферической поверхности, расположенные на концах одного диаметра (A и B , рис.91 ), можно провести бесчисленное множество больших кругов. Например, через полюса Земли можно провести бесконечное число меридианов.
Объём шара в полтора раза меньше объёма описанного вокруг него цилиндра (рис.92 ), а поверхность шара в полтора раза меньше полной поверхности того же цилиндра ( теорема Архимеда ):
Здесь S шара и V шара - соответственно поверхность и объём шара;
S цил и V цил - полная поверхность и объём описанного цилиндра.
Части шара. Часть шара (сферы ), отсекаемая от него какой-либо плоскостью (ABC, рис.93 ), называется шаровым (сферическим ) сегментом . Круг ABC называется основанием шарового сегмента. Отрезок MN перпендикуляра, проведенного из центра N круга ABC до пересечения со сферической поверхностью, называется высотой шарового сегмента. Точка M называется вершиной шарового сегмента.
Часть сферы, заключённая между двумя параллельными плоскостями ABC и DEF, пересекающими сферическую поверхность ( рис.93 ), называется шаровым слоем ; кривая поверхность шарового слоя называется шаровым поясом ( зоной ). Круги ABC и DEF – основания шарового пояса. Расстояние NK между основаниями шарового пояса – его высота . Часть шара, ограниченная кривой поверхностью сферического сегмента (AMCB, рис.93) и конической поверхностью OABC, основанием которой служит основание сегмента (ABC), а вершиной – центр шара O, называется шаровым сектором .
Шар и сфера — это прежде всего геометрические фигуры, и если шар — это геометрическое тело, то сфера — это поверхность шара. Этими фигурами интересовались еще многие тысячи лет назад до н.э.
Впоследствии когда было открыто, что Земля — это шар, а небо — небесная сфера, получило развитие новое увлекательное направление в геометрии — геометрия на сфере или сферическая геометрия. Для того, чтобы рассуждать о размере и объеме шара, нужно сначала дать ему определение.
Шар
Шаром радиуса R с центром в точке О в геометрии называют тело, которое создано всеми точками пространство, имеющими общее свойство. Эти точки находятся на расстоянии, не превышающем радиуса шара, то есть заполняют все пространство меньше радиуса шара во все стороны от его центра. Если мы рассмотрим только те точки, которые равноудалены от центра шара — мы будем рассматривать его поверхность или оболочку шара.
Как можно получить шар? Мы можем вырезать из бумаги круг и начать его вращать вокруг его же диаметра. То есть диаметр круга будет осью вращения. Образованная фигура — будет шар. Поэтому шар называют также телом вращения. Потому что он может быть образован путем вращения плоской фигуры — круга.
Возьмем какую-нибудь плоскость и разрежем ею наш шар. Подобно тому как мы режем ножом апельсин. Кусок, который мы отсечем от шара, называется шаровым сегментом.
В Древней Греции умели не только работать с шаром и сферой, как с геометрическими фигурами, например, использовать их при строительстве, а также умели расчитывать площадь поверхности шара и объем шара.
Сферой иначе называется поверхность шара. Сфера — это не тело — это поверхность тела вращения. Однако так как и Земля и многие тела имеют сферическую форму, например капля воды, то изучение геометрических соотношений внутри сферы получило большое распространение.
Например, если мы соединим две точки сферы между собой прямой линией, то эта прямая линия назовется хордой, а если эта хорда пройдет через центр сферы, который совпадает с центром шара, то хорда назовется диаметром сферы.
Если мы проведем прямую линию, которая коснется сферы всего в одной точке, то эта линия будет называться касательной. Кроме того, эта касательная к сфере в этой точке будет перпендикулярна к радиусу сферы, проведенному в точку касания.
Если мы продолжим хорду до прямой в одну и другую сторону от сферы, то эта хорда станет называться секущей. Или можно сказать иначе — секущая к сфере содержит в себе ее хорду.
Объем шара
Формула для вычисления объема шара имеет вид:
где R — радиус шара.
Если нужно найти объем шарового сегмента — воспользуйтесь формулой:
V сег =πh 2 (R-h/3), h — высота шарового сегмента.
Площадь поверхности шара или сферы
Чтобы вычислить площадь сферы или площадь поверхности шара (это одно и то же):
где R — радиус сферы.
Архимед очень любил шар и сферу, он даже попросил оставить на его гробницу рисунок, на котором в цилиндр вписан шар. Архимед считал, что объем шара и его поверхность равны двум третьим от объема и поверхности цилиндра, в который вписан шар»
В главе 2 мы продолжим “строительную геометрию" и расскажем о строении и свойствах важнейших пространственных фигур - шара и сферы, цилиндров и конусов, призм и пирамид. Большинство предметов, созданных руками человека, - здания, машины, мебель, посуда и т.д., и т.п., состоит из частей, имеющих форму этих фигур.
§ 4. СФЕРА И ШАР
После прямых и плоскостей сфера и шар - самые простые, но очень важные и богатые разнообразными свойствами пространственные фигуры. О геометрических свойствах шара и его поверхности - сферы - написаны целые книги. Некоторые из этих свойств были известны еще древнегреческим геометрам, а некоторые найдены совсем недавно, в последние годы. Эти свойства (вместе с законами естествознания) объясняют, почему, например, форму шара имеют небесные тела и икринки рыб, почему в форме шара делают батискафы и футбольные мячи, почему так распространены в технике шарикоподшипники и т.д. Мы можем доказать лишь самые простые свойства шара. Доказательства других, хотя и очень важных свойств, часто требуют применения совсем не элементарных методов, хотя формулировки таких свойств могут быть очень простыми: например, среди всех тел, имеющих данную площадь поверхности, наибольший объем у шара.
4.1. Определения сферы и шара.
Определяются сфера и шар в пространстве совершенно так же, как окружность и круг на плоскости. Сферой называется фигура, состоящая из всех точек пространства, удаленных от данной
ной точки на одно и то же (положительное) расстояние.
Эта точка называется центром сферы, а расстояние - ее радиусом (рис. 4.1).
Итак, сфера с центром О и радиусом R - это фигура, образованная всеми точками X пространства, для которых
Шаром называется фигура, образованная всеми точками пространства, находящимися на расстоянии не большем данного (положительного) расстояния от данной точки. Эта точка называется центром шара, а данное расстояние - его радиусом.
Итак, шар с центром О и радиусом R - это фигура, образованная всеми точками X пространства, для которых
Те точки X шара с центром О и радиусом R, для которых образуют сферу. Говорят, что эта сфера ограничивает данный шар или что она является его поверхностью.
О тех же точках X шара, для которых говорят, что они лежат внутри шара.
Радиусом сферы (и шара) называют не только расстояние , но и любой отрезок, соединяющий центр с точкой сферы.
ГЕОМЕТРИЯ
Раздел ІІ. СТЕРЕОМЕТРИЯ
§22. ШАР. СФЕРА.
1. Определение шара и сферы. Элементы шара и сферы.
Пулей называют геометрическое тело, образованное вращением круга вокруг оси, содержащей его диаметр (рис. 500).
Центр круга, который вращается называют центром шара, радиус круга - радиусом шара, а диаметр круга - диаметром шара. На рисунке 500 точка О - центр шара, ОА и ОВ - радиусы шара, а АВ - диаметр шара.
Поверхность шара называют сферой.
Центр, радиус и диаметр шара есть также центром, радиусом и диаметром сферы.
Все точки сферы находятся на одной и том же расстоянии, равном радиусу, от центра сферы. Другие точки шара, которые не принадлежат сфере, называют внутренними точками, о такие точки говорят, что они лежат внутри сферы. Внутренние точки шара находятся от центра шара на расстоянии, которое меньше радиус.
Таким образом приходим к еще одному определение сферы и шара.
Сферой называют поверхность, которая состоит из всех точек пространства, равноудаленных от одной и той же точки. Эту точку называют центром сферы, а расстояние от центра сферы до любой ее точки - радиусом сферы.
Пулей называют геометрическое тело, состоит из всех точек пространства, находящихся на расстоянии, не большем данную от данной точки. Эту точку называют центром шара, а данное расстояние - радиусом шара.
Пример. Радиус сферы равен 3,5 см. Внутри или снаружи сферы размещена точка А, если она удалена от центра сферы: 1) см, 2) см.
Шар – это тело, состоящее из всех точек пространства, которые находятся на расстоянии, не большем данного от данной точки. Эта точка называется центром шара, а данное расстояние – радиусом шара. Граница шара называется шаровой поверхностью или сферой. Точками сферы являются все точки шара, которые удалены от центра на расстояние, равное радиусу. Любой отрезок, который соединяет центр шара с точкой шаровой поверхности, тоже называется радиусом. Проходящий через центр шара отрезок, который соединяет две точки шаровой поверхности, называется диаметром. Концы любого диаметра называются диаметрально противоположными точками шара.
Шар является телом вращения, так же как конус и цилиндр. Шар получается при вращении полукруга вокруг его диаметра как оси.
Площадь поверхности шара можно найти по формулам:
где r – радиус шара, d – диаметр шара.
Объём шара находится по формуле:
V = 4 / 3 πr 3 ,
где r – радиус шара.
Теорема. Всякое сечение шара плоскостью есть круг. Центр этого круга есть основание перпендикуляра, опущенного из центра шара на секущую плоскость.
Исходя из данной теоремы, если шар с центром O и радиусом R пересечён плоскостью α, то в сечении получается круг радиуса r с центром K. Радиус сечения шара плоскостью можно найти по формуле
Из формулы видно, что плоскости, равноудалённые от центра, пересекают шар по равным кругам. Радиус сечения тем больше, чем ближе секущая плоскости к центру шара, то есть чем меньше расстояние ОК. Наибольший радиус имеет сечение плоскостью, проходящей через центр шара. Радиус этого круга равен радиусу шара.
Плоскость, проходящая через центр шара, называется диаметральной плоскостью. Сечение шара диаметральной плоскостью, называется большим кругом, а сечение сферы – большим кругом, а сечение сферы – большой окружностью.
Теорема. Любая диаметральная плоскость шара является его плоскостью симметрии. Центр шара является его центром симметрии.
Плоскость, которая и проходит через точку А шаровой поверхности и перпендикулярна радиусу, проведённому в точку А, называется касательной плоскостью. Точка А называется точкой касания.
Теорема. Касательная плоскость имеет с шаром только одну общую точку – точку касания.
Прямая, которая проходит через точку А шаровой поверхности перпендикулярно к радиусу, проведённому в эту точку, называется касательной.
Теорема. Через любую точку шаровой поверхности проходит бесконечно много касательных, причём все они лежат в касательной плоскости шара.
Шаровым сегментом называется часть шара, отсекаемая от него плоскостью. Круг ABC – основание шарового сегмента. Отрезок MN перпендикуляра, проведенного из центра N круга ABC до пересечения со сферической поверхностью, – высота шарового сегмента. Точка M – вершина шарового сегмента.
Площадь поверхности шарового сегмента можно вычислить по формуле:
Объём шарового сегмента можно найти по формуле:
V = πh 2 (R – 1/3h),
где R – радиус большого круга, h – высота шарового сегмента.
Шаровой сектор получается из шарового сегмента и конуса, следующим образом. Если шаровой сегмент меньше полушара, то шаровой сегмент дополняется конусом, у которого вершина в центре шара, а основанием является основание сегмента. Если же сегмент больше полушара, то указанный конус из него удаляется.
Шаровой сектор – это часть шара, ограниченная кривой поверхностью сферического сегмента (на нашем рисунке – это AMCB) и конической поверхностью (на рисунке – это OABC), основанием которой служит основание сегмента (ABC), а вершиной – центр шара O.
Объем шарового сектора находится по формуле:
V = 2/3 πR 2 H.
Шаровый слой – это часть шара, заключённая между двумя параллельными плоскостями (на рисунке плоскостями ABC и DEF), пересекающими сферическую поверхность. Кривая поверхность шарового слоя называется шаровым поясом (зоной). Круги ABC и DEF – основания шарового пояса. Расстояние NK между основаниями шарового пояса – его высота.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
