基本介绍
与空间一点O有等距离R的点的全体,叫做球面。所有点都在同一球面上的图形,叫做
球面图形
。点O叫做球心,距离R叫做球的半径,两端点在球面上的线段,叫做球的弦。过球心的弦,叫做球的直径,直径的两端点,叫做对径点。
基本元素
用一平面去截球面,如果平面经过球心,那么,球面与平面的公共部分叫做大圆。如果平面不经过球心又与球面相交,那么,球面与平面的公共部分叫做小圆。
大圆与球面上的点是球面图形的基本元素,它与平面图形的点和直线相当,点与大圆有如下的关系。
1)通过任意给定的不是对径的球面两点有一大圆。
2)通过任意给定的不是对径的球面两点至多有一大圆。
3)若

与
是球面上任意两个大圆,至少有一点是它们的交点。4)每一大圆至少包含三个点。
5)若C是任一大圆,球面上至少有一点不属于大圆C。
6)在球面上至少有一个大圆。
以上六个关系,如果不借助球面外的任一点(如球心)可以把它们作为公理看待,如果借助于球面外的任一点(如球心),则以上关系可以证明,例如关系(3),过球心O的任意两平面有公共点O,因而有公共直径的两端点,于是任意两个大圆都通过它们公共直径的对径点。即是说在球面上没有不相交的两个大圆,现在利用球心来研究球面图形。
图形及性质
定义2
过球心的两射线与球面相交于两点A、B,两点A、B与∠AOB内部的大圆部分叫做大圆的
劣弧。除劣弧外的大圆部分叫做这大圆的
优弧。显然劣弧小于半大圆。定义3
用大圆劣弧连接不在同一大圆上的球面三点A,B,C得一球面图形,叫做球面三角形
。如图1三点A、B、C叫做球面三角形的顶点,劣弧
叫做球面三角形的边,有公共顶点的两边组成的角,叫做球面三角形的角,它的大小等于过顶点而切于两弧的切线夹角。
图1
与球面三角形相对应的有一个三面角。如图2,从球心O经球面三角形的三顶点A、B、C引射线,得到一个以球心为顶点的三面角O-ABC,这个三面角叫做球心三面角,三面角的三个面角对应于球面三角形的三边,三面角的三个二面角对应于球面三角形的三内角。

图2
定义4
垂直于大圆所在平面的直径的两个端点,叫做这个大圆的极
.从定义4看出,大圆上任一点与它的极之间的大圆部分是这个大圆的

。设有球面三角形ABC,如图3;边

的极分别为C',A',B',且点A’,A在的
同侧,点B'、B在
的同侧,点C'、C在
的同侧,则球面三角形A'B'C'叫做球面三角形ABC的极三角形。
图3
定理1
若球面三角形A'B'C'是球面三角形ABC的极三角形,则球面三角形ABC也是球面三角形A'B'C'的极三角形。证明:
如图3。(1)因为A'是

的极且与A在
的同侧,所以
是大圆弧的,且
为劣弧。(2)点B'是

的极且与B在
的同侧,所以
是大圆弧的
,且
为劣弧。由(1)、(2)知点C是

的极,且与C'在
的同侧,同理点A是
的极,且与A'在
的同侧。点B是
的极,且与B'在
的同侧,故球面三角形ABC是球面三角形A'B'C'的极三角形。(证毕)。
定理2
球面三角形的角与它的极三角形的对应边,就度量来说,它们互补。证明:
如图3,延长
与
使分别交
于D、E,则球面角∠A与
的弧度数相同,要证明球面角∠A与边
互补,只须证
1)∵
,
2)∴

3)同理,球面角∠B与

互补球面角∠C与

互补(证毕)。
定理3
球面三角形三个内角的和,大于2直角而小于6直角。证明
:设有球面三角形ABC,要证明∠A,∠B,∠C的和在2直角和6直角之间。作球面三角形ABC的极三角形A'B'C',则从定理2得:
1)



2)以上三式两边分别相加得

3)由于

直角故:

。(证毕)。