球面图形(spherical figure)是球面几何的研究对象,指所有点都在同一球面上的几何图形,在球面几何学中,主要研究的球面图形有球面大圆、小圆、球面多边形、球面二角形和球面三角形等。

中文名

球面图形

外文名

spherical figure

学科门类

数学

分类

球面几何

概念

所有点都在同一球面上的几何图形

举例

球面大圆、小圆、球面多边形等

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

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

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)。