
sphere
【機】 sphere
球面的(qiúmiàn de)在漢英詞典中定義為"spherical",指所有點與中心點距離相等的三維幾何曲面。《牛津高階英漢雙解詞典》将其解釋為"having the shape of a sphere"(具有球體形狀的。從數學角度,球面方程可表示為: $$ x + y + z = r $$ 其中r為半徑,該公式源自《數學百科全書》對标準球面的定義。
在物理學領域,美國物理學會指出球面波前(spherical wavefront)是指從點光源均勻向外擴散的波面形态。工程應用中,《機械工程手冊》記載球面軸承(spherical bearing)通過曲面接觸實現多角度載荷傳遞。
天文學層面,NASA官方資料描述行星近似為球面體源于自身重力作用下的流體靜力平衡。現代測繪學則通過國際大地測量協會定義的參考橢球面(reference ellipsoid)建立地球形狀的數學模型。
球面是三維幾何空間中的一種理想對稱曲面,其核心定義和特性如下:
數學概念
球面指所有與定點(球心)距離相等的點的集合,這個固定距離稱為半徑。在數學中,球面嚴格指二維封閉曲面,而包含内部點的三維實體稱為“球體”。
物理與日常概念
非數學場景下,“球面”常被泛化指代整個球體或其表面,例如籃球、氣泡的表面。
标準方程
在三維直角坐标系中,球心為$(x_0,y_0,z_0)$、半徑為$r$的球面方程為:
$$
(x-x_0) + (y-y_0) + (z-z_0) = r
$$
參數方程
用極坐标表示時,球面可參數化為:
$$
begin{cases}
x = x_0 + r sintheta cosphi
y = y_0 + r sintheta sinphi
z = z_0 + r costheta
end{cases}
$$
其中$theta in [0,pi]$為極角,$phi in [0,2pi)$為方位角。
對稱性
球面具有完美的旋轉對稱性,任意過球心的平面截球面所得圓均為大圓(半徑等于球半徑),否則為小圓。
極值性質
在包圍相同體積的所有曲面中,球面面積最小;反之,相同表面積下球面包圍體積最大。這一特性解釋了自然界中氣泡、水滴趨近球形的原因。
以上内容綜合自數學定義、幾何特性及物理應用場景。
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