![示意图]()
如图,球 O 是以点 O 为球心的单位球,圆 O 是球 O 的大圆(球心截面)。
过点 O′ 作平行于圆 O 的球截面圆 O′。
在圆 O 上任取两点 A,B,分别在圆 O′ 上做其正投影。
作射线 O′A′,O′B′,分别过 A,B 的正投影点并交圆 O′ 于 A′,B′。
连接 OA,OB,OA′,OB′。
现探究 ∠A′OB′ 与 ∠AOB、∠A′OA 的关系。
探究过程
不妨建立空间直角坐标系。令 OB 为 x 轴正方向,OO′ 为 z 轴正方向,点 O 为原点,建立空间直角坐标系如图所示。
易知圆 O 位于平面 xy 上且为单位圆。
设圆 O′ 位于平面 z=h 上(−1<h<1),∠AOB=α,∠A′OB′=β,∠A′OA=γ。
则易知:
O(0,0,0),O′(0,0,h),A(cosα,sinα,0),B(1,0,0)
由于圆 O′ 在球面 x2+y2+z2=1 且平面 z=h 上,则它的半径为:
r=1−h2
向量 OA 和 OB 投影到圆 O′ 所在平面后,对应点 A′ 和 B′ 的经度角保持不变,即:
A′(rcosα,rsinα,h),B′(r,0,h)
由于 A′ 和 B′ 都在球面上,所以 ∣OA′∣=∣OB′∣=1。
接着利用向量点积可以得到:
cosβ=OA′⋅OB′=r2cosα+h2
cosγ=OA′⋅OA=r
则:
sin2γ=1−cos2γ=1−r2=1−(1−h2)=h2
代入,最终得:
cosβ=cosαcos2γ+sin2γ
结论
球面余弦定理:
cos∠A′OB′=cos∠AOB⋅cos2∠A′OA+sin2∠A′OA