Сфера и шар: уравнение сферы, касательная плоскость, сечения шара и площадь сферы
Сфера как поверхность и шар как тело. Уравнение сферы в пространстве. Сечение шара плоскостью (большой круг). Касательная плоскость. Площадь сферы (S = 4πR²).
1. Сфера и шар:
• Сфера — геометрическое место точек пространства, равноудаленных от фиксированного центра O на расстояние R (двумерная поверхность);
• Шар — тело, ограниченное сферой (включает внутренние точки на расстоянии r ≤ R от центра O);
• Сфера образуется вращением полуокружности вокруг ее диаметра на 360°; шар — вращением полукруга.
2. Уравнение сферы в декартовой системе координат:
Сфера радиуса R с центром в точке C(x₀; y₀; z₀) задается уравнением:
Если центр сферы совпадает с началом координат O(0; 0; 0):
3. Взаимное расположение точки и сферы:
• (x - x₀)² + (y - y₀)² + (z - z₀)² < R² — точка лежит ВНУТРИ шара;
• (x - x₀)² + (y - y₀)² + (z - z₀)² = R² — точка лежит НА сфере;
• (x - x₀)² + (y - y₀)² + (z - z₀)² > R² — точка лежит ВНЕ шара.
Чертеж: Сфера и шар, радиус и площадь поверхности
Оболочка (поверхность)
Rсеч = R
Теорема о сечении шара:
Всякое сечение шара плоскостью есть круг (сечение сферы — окружность).
Пусть d — расстояние от центра шара O до секущей плоскости α (длина перпендикуляра OH ⊥ α):
1. Если d > R:
Плоскость и шар не имеют общих точек (сечение пустое);
2. Если d = R:
Плоскость касается сферы в точке H (касательная плоскость);
3. Если d < R:
Плоскость пересекает шар по кругу радиуса rсеч.
Формула радиуса сечения (по теореме Пифагора):
rсеч = .
Центр полученного круга сечения H является основанием перпендикуляра, опущенного из центра сферы на секущую плоскость.
r = √(R² - d²)
Плоскость через центр
1. Определение касательной плоскости:
Плоскость, имеющая со сферой только одну общую точку, называется касательной плоскостью к сфере. Эта общая точка называется точкой касания.
2. Теорема о касательной плоскости:
Касательная плоскость перпендикулярна радиусу сферы, проведенному в точку касания:
α ⊥ OT, где T — точка касания.
3. Обратная теорема (признак касательной плоскости):
Если плоскость проходит через точку сферы и перпендикулярна радиусу, проведенному в эту точку, то эта плоскость является касательной к сфере.
4. Касательная прямая:
Любая прямая, лежащая в касательной плоскости и проходящая через точку касания, касается сферы.
α ⊥ R
Схема решения стереометрической задачи:
Определение радиуса сечения r
Построение прямоугольного треугольника
Нахождение радиуса шара и площади сферы
Частая ловушка ЕНТ:
«Найдите площадь полной поверхности полушара радиуса R».
Ошибочный ответ: делят площадь сферы на 2 и получают 2πR².
Точный расчет:
Полушар состоит из ДВУХ частей:
1. Куполообразная полусфера: Sполусферы = (1/2) * 4πR² = 2πR²;
2. Плоское круглое дно (большой круг): Sдна = πR²;
Полная площадь поверхности полушара:
Sполн, полушара = 2πR² + πR² = 3πR²!
Ответ: 3πR² (а не 2πR²).
Ловушка ЕНТ: Полная поверхность полушара
Полная поверхность полушара ВСЕГДА равна 3πR² (2πR² сфера + πR² дно). Читайте формулировку: «сфера» или «тело полушара»!
