球面距离的计算

1、球面距离的计算经典范例1位于同一纬度线上两点的球面距离例1  已知，B两地都位于北纬，又分别位于东经和，设地球半径为，求，B的球面距离分析：要求两点，B的球面距离，过，B作大圆，根据弧长公式，关键要求圆心角的大小（见图1），而要求往往首先要求弦的长，即要求两点的球面距离，往往要先求这两点的直线距离解  作出直观图（见图2），设为球心，为北纬圈的圆心，连结，由于地轴平面与为纬度，为二面角的平面角（经度差）中，中，由余弦定理，中，由余弦定理：，的球面距离约为2位于同一经线上两点的球面距离例2  求东经线上，纬度分别为北纬和的两地，B的球面距离（设地球半径为）（见图3）

2、 解  经过两地的大圆就是已知经线，3位于不同经线，不同纬线上两点的球面距离例3  地位于北纬，东经，B地位于北纬，东经，求，B两地之间的球面距离（见图4） 解  设为球心，分别为北纬和北纬圈的圆心，连结，中，由纬度为知，中，注意到与是异面直线，它们的公垂线为，所成的角为经度差，利用异面直线上两点间的距离公式（为经度差）中，的球面距离约为球面距离公式的推导及应用球面上两点之间的最短距离，就是经过这两点的大圆在这两点间的一段劣弧的长度，我们把这段弧长叫做两点的球面距离，常见问题是求地球上两点的球面距离。对于地球上过A、B两点大圆的劣弧长由球心角AOB的大小确定，一般

3、地是先求弦长AB，然后在等腰AOB中求AOB。下面我们运用坐标法来推导地球上两点球面距离的一个公式。地球球面上的点的位置由经度、纬度确定，我们引入有向角度概念与经度、纬度记法：规定东经为正，西经为负；北纬为正，南纬为负（如西经30º为经度=-30º，南纬40º为纬度=-40º ），这样简单自然，记球面上一点A的球面坐标为A（经度，纬度），两标定点，清晰直观。设地球半径为R，球面上两点A、B的球面坐标为A（1，1），B（2，2），1、2-，1、2-，如图，设过地球O的球面上A处的经线与赤道交于C点，过B的经线与赤道交于D点。设地球半径为R；AOC=1，BO

4、D=2，DOC=1-2。另外，以O为原点，以OC所在直线为X轴，地轴所在直线ON为Z轴建立坐标系O-XYZ（如图）。则A（Rcos1,0,Rsin1）,B(Rcos2cos（1-2）,Rcos2sin（1-2）,Rsin2)cosAOB =cosOA，OB=cos1cos2cos（1-2）+sin1sin2 AOB=arcoscos1cos2cos（1-2）+sin1sin2其中反余弦的单位为弧度。于是由弧长公式，得地球上两点球面距离公式：=R·arcoscos1cos2cos（1-2）+sin1sin2 （I）上述公式推导中只需写出A，B两点的球面坐标，运用向量的夹角公式、弧长公式

5、就能得出结论，简单明了，易于理解，公式特征明显.从公式的推导中我们体会到坐标法在解决立几问题的不凡表现。由公式（I）知，求地球上两点的球面距离，不需求弦AB，只需两点的经纬度即可。公式对求地球上任意两点球面距离都适用,特别地，A、B两点的经度或纬度相同时，有：1、1=2=，则球面距离公式为：=R·arcoscos2cos（1-2）+sin2 （II）2、1-2=，则球面距离公式为：=R·arcos（cos1cos2+sin1sin2）=R·arcoscos（1-2） （III）例1、 设地球半径为R，地球上A、B两点都在北纬45º的纬线上，A、B两点的球

6、面距离是R，A在东经20º，求B点的位置。分析：1=20º，1=2=45º，由公式（II）得：R= R·arcoscos245ºcos（20º-2）+sin245ºcos= cos（20º-2）+cos（20º-2）=0, 20º-2=±90º即：2=110º或2=-70º所以B点在北纬45º，东经110º或西经70º例2、 （2002年第六届北京高中数学知识应用竞赛试题）北京时间2002年9月27日14点，国航CA981航班

7、从首都国际机场准时起飞，当地时间9月27日15点30分，该航班正点平稳降落在纽约肯尼迪机场；北京时间10月1日19点14分，CA982航班在经过13个小时的飞行后，准点降落在北京首都国际机场，至此国航北京-纽约直飞首航成功完成。这是中国承运人第一次经极地经营北京-纽约直飞航线。从北京至纽约原来的航线飞经上海（北纬31 ，东经122 ）东京（北纬36 ，东经140 ）和旧金山（北纬37 ，西经123 ）等处，如果飞机飞行的高度为10千米，并假设地球是半径为6371千米的球体，试分析计算新航线的空中航程较原航线缩短了多少。解：本题应计算以北京、纽约为端点的大圆劣弧长，再计算北京到上海、上海到东京、

8、东京到旧金山、旧金山到纽约各段大圆劣弧长度和，然后求它们的差。 球 1一个球的内接正方体（正方体的顶点都在球面上）的表面积为6，则球的体积为_由已知得正方体棱长为1，因球的直径等于正方体的对角线长，所以直径， 球体积2在赤道上，东径140°与西径130°的海面上有两点A、B，A、B的球面距离是_（设地球半径为R）设球心为O， A、B在赤道这个大圆上， AOB（180°140°）+（180°130°）90°， ， A、B的球面距离为3设正方体的全面积为，一个球内切于该正方体，那么这个球的体积是（）A p B p C p D p

9、 A由正方体全面积为，则棱长为2cm，内切于正方体的球的直径为2cm，则球的半径为1，其体积为4一个正方体的顶点都在球面上，其棱长为2cm，则球的表面积为（）A8p B12p C16p D20p B球的直径与正方体的对角线长相等， ， ，球表面积5设地球半径为R，在北纬60°圈上有A、B两地，它们在纬度圈上的弧长是，则这两地的球面距离是（）A B C DB如图答9-70，设北纬60°圈的圆心为，球心为O，则， A、B在纬度圈上的弧长为，则， A、B三点共线， OAOB， AOB是正三角形， ， A、B的球面距离等于6一个正方体的内切球与它的外接球的体积比是（）A1 B1 C

10、1 D1A设正方体的棱长为2a，则其内切球半径为a，外接球半径为，二球体积比为7球面上有A、B、C三点，ABBC2cm，球心O到截面ABC的距离等于球半径的一半，求球的体积 A、B、C是球面上三点， OAOBOC设截面圆圆心为，则平面ABC， ， 是ABC的外接圆圆心 ABBC2， ， ABC是直角在中，OAR， 有，解得，球体积8半径为1的球面上有三点A、B、C，其中A和B、A和C的球面距离为，B和C的球面距离为，求球心到平面ABC的距离3设球心为O，由球面距离的定义可知， OAOB，OAOC， OA平面BOC 三棱锥OABC的体积在ABC中，, ,BC1，取BC中点M，则AMBC，设点O到

11、平面ABC的距离为h， ， ， 即点O到平面ABC的距离为 球心到截面的距离d与球的半径R及截面的半径r有下面的关系：，（计算公式） （3）球的截面是圆面： 球的大圆：球面被经过球心的平面截得的圆。9. 已知倒立的圆锥形容器的轴截面是一个等边三角形，在此容器内注入水，并放入半经为r的一个球，此时，水面恰好与球相切，求取出球后水面的高度。 解：如图所示，圆锥轴截面为正三角形ABP，设球心为O，PC为圆锥的高，取出球后，水面为EF，其高度为PH，连结OC、OA。 则 。， 又 。 故取出球后水面高为。10. 在北纬45°的纬度圈上有A、B两点，它们分别在东经70°与东经160&

12、#176;的经度圈上，设地球的半径为R，求A、B两点的球面距离。 分析：要求A、B两点间球面距离，要把它放到AOB中去分析，只要求得AOB的度数，AB的长度，就可求球面距离。 解：设北纬45°圈的圆心为O'，地球中心 为O，则AO'B=160°70°=90° OBO'=45°，OB=R 则 故A、B两点间球面的距离为。11已知地球的半径为 ，球面上 两点都在北纬45°圈上，它们的球面距离为 ， 点在东经30°上，求 点的位置及 两点所在其纬线圈上所对应的劣弧的长度 分析：求点 的位置，如图就是求 的大

13、小，只需求出弦 的长度对于 应把它放在 中求解，根据球面距离概念计算即可解：如图，设球心为 ，北纬45°圈的中心为 ，由 两点的球面距离为 ，所以 = ， 为等边三角形于是 由 ， 即 = 又 点在东经30°上，故 的位置在东经120°，北纬45°或者西经60°，北纬45° 两点在其纬线圈上所对应的劣弧 说明：此题主要目的在于明确经度和纬度概念，及利用球的截面的性质和圆的有关性质设计计算方案12自半径为 的球面上一点 ，引球的三条两两垂直的弦 ，求 的值分析：此题欲计算所求值，应首先把它们放在一个封闭的图形内进行计算，所以应引导学生构

14、造熟悉的几何体并与球有密切的关系，便于将球的条件与之相联解：以 为从一个顶点出发的三条棱，将三棱锥 补成一个长方体，则另外四个顶点必在球面上，故长方体是球的内接长方体，则长方体的对角线长是球的直径 = 说明：此题突出构造法的使用，以及渗透利用分割补形的方法解决立体几何中体积计算*例7把四个半径都是1的球中的三个放在桌面上，使它两两外切，然后在它们上面放上第四个球，使它与前三个都相切，求第四个球的最高点与桌面的距离分析：关键在于能根据要求构造出相应的几何体，由于四个球半径相等，故四个球一定组成正四面体的四个顶点且正四面体的棱长为两球半径之和2解：由题意，四球心组成棱长为2的正四面体的四个顶点，则正四面体的高 而第四个球的最高点到第四个球的球心距离为求的半径1，且三个球心到桌面的距离都为1，故第四个球的最高点与桌面的距离为 13. 一个球的半径为R，A、B是球面上的两个点，如果A、B沿球面的最短距离为 解： 要使O到平面ABO的距离最长（O为过AB的圆的圆心），只须过A、B的小圆最小，即AB=2r 14. 设A、B是地