直圆锥

几何学术语

如果一个锥体的底面为圆形,顶点位于过底面中心的底面的垂线上,则这个锥体称为直圆锥(right circular cone)。直角三角形以其一直角边为轴旋转而成的旋转体是直圆锥。也可以说在初等几何中,一个锥体若底面为圆,而圆心恰为其顶点在底面上的射影,则称其为直圆锥。通常说圆锥多是指直圆锥。

组成部分
以直角三角形的一条直角边所在的直线为轴,其余两边绕轴旋转360°所得到的几何体,叫做直圆锥,简称圆锥,如图1。
直角三角形旋转时,有一条直角边位于旋转轴上,另一条直角边旋转产生的圆面叫做圆锥的底面。斜边旋转时的每一个位置,叫做直圆锥的母线,旋转时产生的曲面叫做直圆锥的侧面。斜边位于轴上的端点叫做直圆锥的顶点。直圆锥的顶点和底面的距离(即顶点和底面圆圆心的距离)叫做直圆锥的高。
直圆锥的底面是圆。
直圆锥的侧面沿母线剪开后在平面上展开,是一个扇形。它的半径等于直角三角形的斜边长,它的弧长等于直圆锥的底面圆的周长。图2就是直圆锥的侧面展开图。
性质
直圆锥的主要性质:
(1) 直圆锥的底面是个圆。它所在的平面垂直于圆的轴。
(2) 直圆锥的轴经过顶点和底面的圆心,底面圆心和顶点的连线是圆锥的高。
(3) 直圆锥的一切母线都交圆锥的顶点,并且都相等,各条母线与轴的夹角都相等。
(4) 用一个过直圆锥的顶点,并且和底面相交的平面去截直圆锥,所得的截面是一个等腰三角形。
(5) 垂直于轴的直圆锥截面是个圆。
体积与侧面积
直圆锥体的体积等于它的底面积与高的积的三分之一。
若设圆锥体的体积为V,底面积为S,高为h,那么,圆锥体的体积公式为或。
直圆锥体的侧面积等于它的底面的周长与母线长乘积的一半。
若圆锥的母线为,底面半径为,侧面积为S,那么,圆锥体的侧面积公式为。
方程式
由方程
给出的曲面,叫做二次曲面
这个方程给出的可以不是曲面,而是具有更小维度的图形:直线,点或者甚至是空集合。这样的图形不列入二次曲面。
二次曲面称为圆锥,如果在某个直角坐标系中它用方程给出,其中。在这种情况,圆锥称为旋转圆锥或者直圆锥。点称为圆锥的顶点,而轴叫做圆锥的轴。
相关结论
【例1】证明:顶点在坐标原点的直圆锥的方程形式为
证明提示:设圆锥轴的方向用向量给出,向量和之间的角的余弦等于
点的集合,对于它这个余弦精确到符号相同,给出方程的形式为
【例2】证明:如果圆锥
是直圆锥,并且数中一个等于零,那么这些数中还有一个等于零。
证明提示:根据上一问题数具有形式。如果这些数中有一个等于零,那么由数中一个等于零,则由数中还有一个等于零。
【例3】证明:圆锥
其中,是直圆锥,当且仅当。
证明提示: 首先假设,圆锥是直圆锥,根据问题①有和,所以。
假设设,根据条件,所以和要么两个都正,要么两个都负,在必要时改变圆锥方程的所有系数的符号,可以认为,数和是正的,假设,根据条件,符号可以选择,使得成立等式,这时圆锥的方程化归为正如在问题①指出的这样的形式。
【例4】直圆锥用不平行于它的轴的平面的截形,射影在垂直于圆锥的轴的平面上,证明:圆锥的轴相交射影于焦点。
证明提示:可以认为,圆锥的顶点位置在坐标原点,而它的轴沿着轴的方向,则圆锥的方程具有形式。坐标平面旋转后可以认为,截割平面的方程具有形式,这样一来,圆锥截形在坐标平面上的射影由方程给出,这个方程可以改写为
最后一个方程给出焦点在坐标原点,准线为和离心率为(由点到焦点的距离对点到准线距离的比等于离心率)的二次曲线。
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