截面 (几何)

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几何学和科学中的截面(英语:Cross section),是指一三维空间下的物体和一平面相交所产生的交集。截面的面积称为截面积。将一个物体切成许多片,就会产生多个平行的截面。三维空间中,若截面平行定义此座标的截面,该截面的轮廓称为等高线,例如地势图(英语:raised-relief map)中的山和与地面平行的平面产生截面,其等高线则表示一群有相冋相对高度地点的集合。

定义[编辑]

若平面和三维立体相交,则其交集即为截面[1]。

立体截面的形状和截面所在平面和立体的关系而定。例如,球的所有截面都是圆盘,立方体的截面则视平面相对立体的位置而定;若截面平面和立方体的平面平行,其截面形状会是方形,若截面和穿过立方体对角的对角线垂直,截面也可能是一点、三角形或是六边形。

面积[编辑]

祖暅原理说明若两个固体对应的截面积相等,则其体积相等。

一物体以特定角度观看时的截面积(

A

{\displaystyle A'}

)是该物体在此角度下正交投影的总面积。例如一高为h,半径为r的圆柱,若沿著其中心轴,其截面积

A

=

π

r

2

{\displaystyle A'=\pi r^{2}}

,若沿著任一个和中心轴垂直的线,其截面积

A

=

2

r

h

{\displaystyle A'=2rh}

。一个半径为r的球体,在任意角度下的截面积均为

A

=

π

r

2

{\displaystyle A'=\pi r^{2}}

。一物体的截面积可由下式的曲面积分求得:

A

=

t

o

p

d

A

r

^

,

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

其中

r

^

{\displaystyle \mathbf {\hat {r}} }

为沿著指定方向的单位向量

d

A

{\displaystyle d\mathbf {A} }

是单位表面积向量,向量方向为往外的法向量。

而且上述积分只针对物体最上方的表面,也就是以观者角度可见的那一面。对于一个凸体的物体,从观者角度到物体的射线都会和物体的表面交会二次。因此上述积分可以以取绝对值的方式,针对整个表面计算,再除以2得到截面积如下:

A

=

1

2

A

|

d

A

r

^

|

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

相关条目[编辑]

工程图

分解图(英语:exploded-view drawing)

画法几何

三维投影

轮廓量规(英语:Profile gauge)

割面(英语:Secant plane)

脚注[编辑]

^ Swokowski 1983,p. 296

参考资料[编辑]

Swokowski, Earl W., Calculus with analytic geometry Alternate, Prindle, Weber & Schmidt, 1983, ISBN 0-87150-341-7 含有内容需登入查看的页面 (link)

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