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立体角

(2009-11-24 11:36:06)
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立体角

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文化

分类: 技术
起源: 点状物体辐射通常是以球面波形式向外均匀传输能量。为定量化地在一个方向上的某个面接收到的辐射能量的大小,引出立体角概念。

当我们看到远处的两个物体,欲表达其相对方位时,用从这两个物体到眼睛的视线之间的夹角这个概念。例如,可以选择月亮的上边缘顶点与下边缘顶点,由人眼到这两个点的视线之间的夹角较为稳定,可以称为月亮的“视直径”。

而当形容“挂在树梢上的月亮像月饼这么大”时,人们就一面犯了错误,一面已经在冥冥之中与立体角概念的幽灵相接近。月亮、月饼当然不一样大,而且大小相差悬殊,但是当月饼与人眼之间为一定距离时,看起来它的确跟月亮“差不多一般大”。月饼比月亮小得多,但当把月饼放在眼前时,它却能完全挡住月亮,这样就清楚了,随着距离变远,形象就变小。这不仅是“视直径”的变化,其实也是另一个量,“立体角”的变化。

立体角立体角

锥面(射平面或射曲面)所围成的空间区域称为立体角。在以锥的顶点为心,半径为1单位的球面上,锥面所截得的面积大小就准确地度量了立体角的大小。以球心为顶点的锥面在球的表面切割出的、面积等于球半径平方的区域,所张的立体角的大小,被定义为立体角的基本度量单位,是立体角的国际单位,是三维的弧度,称为平方弧度,或平方弪,亦称球面度,符号记作sr,英文steridian,是希腊语立体(stereos)和弧度(radian)的合成词。

在平面上定义一段弧微分ds与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角,记作 θ=ds/r; 所以整个圆周对应的圆心角就是2π;和平面角的定义类似,定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角,记作θ=ds/r2;由此可得,闭合曲面的立体角都是4π。


一个任意锥体,被一锥尖在球心的球面所截,截得面积为 s的曲面,则这一截得的面积除以球的半径的平方就是这一锥体的立体角.
                Ω=s÷r²
立体角是三维的,不同于平面角,两立体角相同的锥体它们的形状可能完全不同。所以用它可比较不同形状的锥体的尖锐程度;由公式可见锥尖越尖立体角越小. 在同一球面上的两闭合曲面面积相同则立体角相同,一个球的全立体角是: 

                          Ω=4πr²÷r²
                             =4π(立体弧度)
可见它是一与球体半径无关的量,球体不论大小它的全立体角都是4π


二、立体角在地理中的应用
把立体角应用到地理中也就是用在地球这一球体上,某一区域的面积除以地球半径的平方就是这一区域的立体角.地球的全立体角是4π.如中国的立体角是:9600000÷6370²=0.23659
地理中立体角的含义分三部分,地面部分就是我们所述的国土面积:它的大小为立体角乘以地球半径的平方.地上部分是这个国家的领空,任一高度的面积是该国立体角乘以这一高度到地心距离平方.地下部分任一深度
的面积是该国立体角乘以这一深度到地心距离的平方.也既不论地面还是领空任一高度的
主权面积为:
                   s=Ω*r²
其中r为某一面到地心的距离。可见高度不等主权面积也不同。领空比地面要大;地面比地下大。
立体角

例如:中国的地下20公里处主权面积和地上20 公里的主权面积:
1)地下20公里主权面积
s=Ω*r²=0.23695*(6370-20) ²=9554416平方公里
2)地上20公里主权面积(领空)
s=Ω*r²=0.23695*(6370+20) ²=9675166平方公里
两者相差120750平方公里。
三、立体角在地理中的单位
为了应用方便,我们把立体角的单位定义一更小的单位。因为立体角是三维的,所以我们在平面角单位“度”的基础上加“氵”即“渡”为立体角的单位,以区别与平面角。定义一个球体的全立体角是1万“渡”。既:4π(立体弧度)=10000(渡)
计算可得1渡对应在地球表面面积50990 .4平方公里
四、在地理中应用立体角的优点
1)立体角的概念对所有星球都实用,大小不一的星球他们的全立体角相同。所以是宇宙通用概念。
2) 它对地球的分割准确,从地下到地面再到领空一个数据含概所有意思.
3) 数字简单,便于互相比较大小.也可知道一个国家占地球的百分数.如我国占地球面积的百分数为:
      0.23659÷4π=1.88%
用单位“渡”更简单,某一区域立体角是几渡,它的面积就占地球表面积的万分之几。如中国立体角是188渡,它的面积就占地球表面积的万分之188;德国立体角是7渡,它的面积就占地球表面积的万分之7。
4)用立体角看世界,每个国家都是一个锥体。如图所示,这是中国的领域,这一锥体以地面为分界面,分
为三部分。也即地表、地下和领空.我们叫它为中国全图。
立体角

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