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立体角


立体角 Omega 由表面 S 所对的立体角定义为单位球面上被该表面投影覆盖的 表面积 Omega。这可以写作:

 Omega=intint_S(n^^·da)/(r^2),
(1)

其中 n^^ 是从原点出发的单位向量,da 是表面 patch 的微分面积,r 是从原点到 patch 的距离。用 球坐标phi余纬度 (极角),theta经度 (方位角) 表示,这变为:

 Omega=intint_Ssinphidthetadphi.
(2)

立体角以 球面度 为单位测量,整个空间对应的立体角为 4pi 球面度

SolidAngleCube

为了了解如何显式计算简单几何形状的立体角,考虑边长为 2a、中心位于原点的立方体的一个面所对的立体角 Omega_(cube side)。由于立方体是对称的并且有六个面,因此一个面显然对 4pi/6=2pi/3 球面度。为了显式计算这个值,使用笛卡尔坐标重写 (1):

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

并且

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

考虑立方体的顶面,它位于 z=a,并且边平行于 x 轴和 y 轴,

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

正如预期的那样。

SolidAngleTetrahedron

类似地,考虑一个边长为 a 的四面体,质心位于原点,底面位于 z=-r (其中 r 是质心),底面顶点位于 (-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)

然后 x-dx_0 变化,对于正 y 半平面 中的底面一半,y 可以从 0 到 a/2-(a/2)/(d+x_0)(x+d)=1/3-x/sqrt(3), 变化,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,正如预期的那样。


另请参阅

球体, 球面三角学, 球面度

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参考文献

Hopf, H. "几何学选章." ETH Zürich lecture, pp. 1-2, 1940. http://www.math.cornell.edu/~hatcher/Other/hopf-samelson.pdf.van Oosterom, A. and Strackee, J. "平面三角形的立体角." IEEE Trans. Biomed. Eng. 30, 125-126, 1983.

在 Wolfram|Alpha 上被引用

立体角

引用为

Weisstein, Eric W. "立体角。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/SolidAngle.html

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