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1、立体角计算公式初醒悟摘要:本文应用数学工具,推导出灯具在两个相互垂直方向上的发光角同立体角之间的关系。关键词:立体角,发光角。0引言光强度是照明工程中的一个重要术语,其定义是“光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量”,一般以I表示。若在某微小立体角d内的光通量为d(,),则该方向上的光强为:I(,)=d(,)/d。式中,d的单位为sr(球面度),光强的单位为cd(坎德拉,烛光)。1 cd=1 lm/sr。但关于立体角的计算方法,照明教材及各类文献中却没有述及。这给从事照明工程的专业技术人员带来很大的困惑。1立体角的定义将弧度表示平面角度大小的定义(弧长除以半径)推广到三维空间中,定义“立体角
2、”为:球面面积与半径平方的比值。即:= 图1平面角(单位:弧度rad) 图2立体角(单位:球面度sr)2立体角的计算设灯具在两个相互垂直方向上的发光角为2和2,求其所对应的立体角的大小。设0<2<,0<2<不失一般性,设球体半径为单位长度1,坐标原点在球心,坐标轴方向如图。根据定义,只须求出两角所夹球面的面积,即是立体角的大小。由于对称性,只需求出第一卦限内的面积再乘以4即可。图3 计算示意图曲面面积计算公式为:A=dxdy (1)上半球球面方程为:Z= (2)由 = (3) (4)得 (5)代入(1)式得:A= (6)利用极坐标,得:A= (7)易知,积分区域在xy平
3、面上的投影是由两条椭圆曲线围成,方程分别为:+y2=1 (8)x2 +=1 (9)交点坐标(,)1=arctg (10)2=arctg (11)将x=rcos,y=rsin带入(8)、(9)式,得极坐标表示的边界方程为: (12) (13) 图4 xy面投影 根据对称性,有: A=4(A1+A2) (14) A1=A2= 于是,A1= =)d=1- d=1- 设t=sin,则cosd=dtA1=1-=1-=1-arcsin(cos·t) =1-arcsin(cossin1) (15)同理,A2=2-arcsin(cossin2) (16)带入(14)式,得出最终结果:A=4(arct
4、g-arcsin(cossin(arctg) +arctg-arcsin(cossin(arctg) (17) 特别地,当=时,1=2=/4,A1=A2=/4-arcsin(cos/)3数值结果2a2b 2 215°30°45°60°75°90°105°120°135°150°165°180°15°0.06830°0.1350.26845°0.2000.3970.588对60°0.2610.5190.7701.01175°0.
5、3180.6330.9401.2371.51990°0.3700.7361.0961.4451.7802.094称105°0.4150.8271.2341.6322.0162.3822.723120°0.4530.9041.3511.7912.2122.6363.0303.392135°0.4840.9661.4451.9212.3892.8483.2913.7104.091150°0.5061.0111.5152.0162.5143.0083.4923.9644.4114.811165°0.5191.0381.5572.0752.5923.1083.6214.1304.6325.1155.544180°0.5241.0471.5712.0942.6183.1463.6654.1894.7125.2365.7606.283参考文献周太明等,电气照明设计,复旦大学出版社,2001,11同济大学数学教研室,高等数学,高
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