
sphere
【机】 sphere
球面的(qiúmiàn de)在汉英词典中定义为"spherical",指所有点与中心点距离相等的三维几何曲面。《牛津高阶英汉双解词典》将其解释为"having the shape of a sphere"(具有球体形状的。从数学角度,球面方程可表示为: $$ x + y + z = r $$ 其中r为半径,该公式源自《数学百科全书》对标准球面的定义。
在物理学领域,美国物理学会指出球面波前(spherical wavefront)是指从点光源均匀向外扩散的波面形态。工程应用中,《机械工程手册》记载球面轴承(spherical bearing)通过曲面接触实现多角度载荷传递。
天文学层面,NASA官方资料描述行星近似为球面体源于自身重力作用下的流体静力平衡。现代测绘学则通过国际大地测量协会定义的参考椭球面(reference ellipsoid)建立地球形状的数学模型。
球面是三维几何空间中的一种理想对称曲面,其核心定义和特性如下:
数学概念
球面指所有与定点(球心)距离相等的点的集合,这个固定距离称为半径。在数学中,球面严格指二维封闭曲面,而包含内部点的三维实体称为“球体”。
物理与日常概念
非数学场景下,“球面”常被泛化指代整个球体或其表面,例如篮球、气泡的表面。
标准方程
在三维直角坐标系中,球心为$(x_0,y_0,z_0)$、半径为$r$的球面方程为:
$$
(x-x_0) + (y-y_0) + (z-z_0) = r
$$
参数方程
用极坐标表示时,球面可参数化为:
$$
begin{cases}
x = x_0 + r sintheta cosphi
y = y_0 + r sintheta sinphi
z = z_0 + r costheta
end{cases}
$$
其中$theta in [0,pi]$为极角,$phi in [0,2pi)$为方位角。
对称性
球面具有完美的旋转对称性,任意过球心的平面截球面所得圆均为大圆(半径等于球半径),否则为小圆。
极值性质
在包围相同体积的所有曲面中,球面面积最小;反之,相同表面积下球面包围体积最大。这一特性解释了自然界中气泡、水滴趋近球形的原因。
以上内容综合自数学定义、几何特性及物理应用场景。
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