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.
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.
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.Когда людям задают вопрос, чем отличается сфер от шара, многие попросту пожимают плечами, думая, что фактически это одно и то же (аналогия с кругом и окружностью). Действительно, все ли из нас хорошо знают из школьной программы геометрию и могут сходу ответить на данный вопрос? Сфера имеет некоторые отличия от шара, которые нужно знать не только школьникам, чтобы получить хорошую оценку за свои продемонстрированные знания, но и многим другим людям, например, чья работа непосредственно связана с чертежами.
Определение
Шар – совокупность всех точек пространства. Все эти точки находятся от центра геометрического тела на расстоянии, которое не больше заданного. Само данное расстояние называется радиусом. Шар, как геометрическое тело, образуется следующим образом: происходит вращение полукруга возле его диаметра. Что касается сферы, то это и есть поверхность шара (например, замкнутый шар включает ее, открытый – нет). Вычисление площади или объема шара – это целые геометрические формулы, которые очень сложны, несмотря на кажущуюся простоту самой геометрической фигуры.
Сфера , как было отмечено выше, представляет собой поверхность шара, его оболочку. От центра сферы все точки в пространстве равноудалены. Что касается радиуса геометрического тела, то им называют любой отрезок, одна точка которого – непосредственно центр сферы, а другая может находиться в любой точке на поверхности. Можно сказать, что сфера является оболочкой шара без какого-либо содержимого (более конкретные примеры будут приведены ниже). Также как и шар, сфера является телом вращения. Кстати, многие также задаются вопросом, чем же отличаются круг и окружность от сферы и шара. Здесь все просто: в первом случае это фигуры на плоскости, во втором – в пространстве.
Сравнение
Уже было сказано о том, что сфера является поверхностью шара, что уже дает возможность говорить об одном весомом признаке отличия. Разница между двумя геометрическими телами наблюдается и в некоторых других аспектах:
- Все точки шара находятся на одинаковом расстоянии от центра, при этом тело ограничено поверхностью (сферой, которая является пустой внутри). Иными словами, сфера полая. Обычно для простоты понимания приводят простой пример с воздушным и бильярдным шаром. Оба этих предмета называют шарами, однако в первом случае мы имеем дело со сферой, а во втором с полноценным шаром со своим содержимым внутри.
- Сфера имеет свою площадь, но при этом у нее нет объема. Шар же наоборот: его объем можно вычислить, в то время как у него нет площади. Кто-то может сказать, что это главный признак отличия, но он проявляется только в том случае, если необходимо производить какие-то расчеты (сложные геометрические формулы). Поэтому главным отличием является то, что сфера полая, а шар – тело с содержимым внутри.
- Еще одно отличие кроется в радиусе. Например, радиусом сферы называется не только расстояние точек до центра. Радиусом может называться любой отрезок, соединяющий точку на сфере с ее центром. Все эти отрезки равны между собой. Что касается шара, то лежащие внутри него точки удалены от центра меньше, чем на радиус (как раз из-за ограничивающей его сферы).
Выводы сайт
- Сфера полая, в то время как шар является заполненным внутри телом. Например, воздушный шар – это сфера, бильярдный шар – это полноценный шар.
- Сфера имеет площадь и не имеет объем, шар же наоборот.
- Третье отличие – это измерение радиуса двух геометрических тел.