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截面 (幾何)

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幾何學科學中的截面(英語:Cross section),是指一三維空間下的物體和一平面相交所產生的交集。截面的面積稱為截面積。將一個物體切成許多片,就會產生多個平行的截面。三維空間中,若截面平行定義此座標的截面,該截面的輪廓稱為等高線,例如地勢圖英语raised-relief map中的山和與地面平行的平面產生截面,其等高線則表示一群有相冋相对高度地點的集合。

定義

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若平面和三維立體相交,則其交集即為截面[1]

立體截面的形狀和截面所在平面和立體的關係而定。例如,球的所有截面都是圓盤,立方體的截面則視平面相對立體的位置而定;若截面平面和立方體的平面平行,其截面形狀會是方形,若截面和穿過立方體對角的對角線垂直,截面也可能是一點、三角形或是六邊形。

面積

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祖暅原理說明若兩個固體對應的截面積相等,則其體積相等。

一物體以特定角度觀看時的截面積(A{\displaystyle A'})是該物體在此角度下正交投影的總面積。例如一高為h半徑r圓柱,若沿著其中心軸,其截面積A=πr2{\displaystyle A'=\pi r^{2}},若沿著任一個和中心軸垂直的線,其截面積A=2rh{\displaystyle A'=2rh}。一個半徑為r球體,在任意角度下的截面積均為A=πr2{\displaystyle A'=\pi r^{2}}。一物體的截面積可由下式的曲面積分求得:

A=topdAr^,{\displaystyle A'=\iint \limits _{\mathrm {top} }d\mathbf {A} \cdot \mathbf {\hat {r}} ,}

其中

r^{\displaystyle \mathbf {\hat {r}} }為沿著指定方向的單位向量
dA{\displaystyle d\mathbf {A} }是單位表面積向量,向量方向為往外的法向量。

而且上述積分只針對物體最上方的表面,也就是以觀者角度可見的那一面。對於一個凸体的物體,從觀者角度到物體的射線都會和物體的表面交會二次。因此上述積分可以以取絕對值的方式,針對整個表面計算,再除以2得到截面積如下:

A=12A|dAr^|{\displaystyle A'={\frac {1}{2}}\iint \limits _{A}|d\mathbf {A} \cdot \mathbf {\hat {r}} |}

相關條目

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腳註

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  1. ^Swokowski 1983,p. 296

參考資料

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检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=截面_(幾何)&oldid=88124817
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