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立體角


立體角 Omega 由表面 S 所對的立體角定義為單位球面上被該表面投影覆蓋的 表面積 Omega。這可以寫作:

 Omega=intint_S(n^^·da)/(r^2),
(1)

其中 n^^ 是從原點出發的單位向量,da 是表面 patch 的微分面積,r 是從原點到 patch 的距離。用 球座標phi餘緯度 (極角),theta經度 (方位角) 表示,這變為:

 Omega=intint_Ssinphidthetadphi.
(2)

立體角以 球面度 為單位測量,整個空間對應的立體角為 4pi 球面度

SolidAngleCube

為了瞭解如何顯式計算簡單幾何形狀的立體角,考慮邊長為 2a、中心位於原點的立方體的一個面所對的立體角 Omega_(cube side)。由於立方體是對稱的並且有六個面,因此一個面顯然對 4pi/6=2pi/3 球面度。為了顯式計算這個值,使用笛卡爾座標重寫 (1):

n^^·da=cosphidxdy
(3)
r^2=x^2+y^2+z^2
(4)

並且

cosphi=z/r
(5)
=z/(sqrt(x^2+y^2+z^2)).
(6)

考慮立方體的頂面,它位於 z=a,並且邊平行於 x 軸和 y 軸,

Omega_(cube side)=int_(-a)^aint_(-a)^a(adxdy)/((x^2+y^2+a^2)^(3/2))
(7)
=2/3pi,
(8)

正如預期的那樣。

SolidAngleTetrahedron

類似地,考慮一個邊長為 a 的四面體,質心位於原點,底面位於 z=-r (其中 r 是質心),底面頂點位於 (-d,+/-a/2,-r)(x_0,0,-r),其中

x_0=1/3sqrt(3)a
(9)
r=1/(12)sqrt(6)a
(10)
d=1/6sqrt(3)a.
(11)

然後 x-dx_0 變化,對於正 y 半平面 中的底面一半,y 可以從 0 到 a/2-(a/2)/(d+x_0)(x+d)=1/3-x/sqrt(3), 變化,得到

Omega=2int_(-d)^(x_0)int_0^(1/3-x/sqrt(3))(rdydx)/((x^2+y^2+r^2)^(3/2))
(12)
=pi,
(13)

4pi/4,正如預期的那樣。


另請參閱

球體, 球面三角學, 球面度

使用 探索

參考文獻

Hopf, H. "幾何學選章." ETH Zürich lecture, pp. 1-2, 1940. http://www.math.cornell.edu/~hatcher/Other/hopf-samelson.pdf.van Oosterom, A. and Strackee, J. "平面三角形的立體角." IEEE Trans. Biomed. Eng. 30, 125-126, 1983.

在 上被引用

立體角

引用為

Weisstein, Eric W. "立體角。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/SolidAngle.html

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