Определения шара и сферы, площадь сферы и объём шара, сечения шара плоскостью, шаровой сегмент и сектор
Определения шара и сферы
Сферой называют множество всех точек пространства, удалённых от данной точки (центра) на одно и то же расстояние R (радиус). Шаром называют тело, состоящее из всех точек пространства, удалённых от центра на расстояние, не превышающее R, — то есть шар ограничен сферой и включает все внутренние точки. Соотношение между шаром и сферой аналогично соотношению между кругом и окружностью на плоскости: сфера — это «поверхность» шара, как окружность — «граница» круга.

Шар и сфера как тело вращения
Шар можно получить вращением полукруга вокруг его диаметра, а сферу — вращением полуокружности вокруг того же диаметра. Именно этим способом в статье об объёмах тел вращения была выведена формула объёма шара с помощью определённого интеграла: V=π∫(R²−x²)dx на промежутке [−R;R].
Объём шара
Площадь сферы
Площадь поверхности сферы (в отличие от объёма, эта формула не выводится элементарно с помощью интеграла от площадей плоских сечений и обычно принимается в школьном курсе как данность или выводится другими методами, выходящими за рамки базового курса):
Пример 1: объём и площадь поверхности шара
Условие. Радиус шара равен 6 см. Найдите объём шара и площадь его поверхности.
Решение.
Сечение шара плоскостью
Любое сечение шара плоскостью — круг. Если расстояние от центра шара до секущей плоскости равно d (d<R), то радиус сечения r находят по теореме Пифагора: r²=R²−d² (гипотенуза R, один катет d, другой — искомый радиус сечения). Наибольшее сечение (при d=0, когда плоскость проходит через центр) называют большим кругом шара, его радиус равен радиусу самого шара.
Пример 2: сечение шара плоскостью
Условие. Радиус шара равен 13 см. Секущая плоскость удалена от центра на 5 см. Найдите площадь сечения.
Решение. Радиус сечения:
Шаровой сегмент
Шаровым сегментом называют часть шара, отсекаемую от него одной секущей плоскостью. Если высота сегмента (расстояние от плоскости сечения до наиболее удалённой точки сегмента на сфере) равна h, а радиус шара — R, объём шарового сегмента находят по формуле:
Пример 3: объём шарового сегмента
Условие. Радиус шара равен 10 см. Найдите объём шарового сегмента высотой 4 см.
Решение.
Шаровой сектор
Шаровым сектором называют тело, состоящее из шарового сегмента и конуса, вершина которого совпадает с центром шара, а основание — с основанием сегмента (при h<R) — либо, если сегмент больше полушара, шаровой сектор получают как объединение сегмента с «вырезанным» из него конусом. Объём шарового сектора выражается через радиус шара и высоту соответствующего сегмента:
Касательная плоскость к сфере
Плоскость называют касательной к сфере, если она имеет со сферой ровно одну общую точку. Касательная плоскость всегда перпендикулярна радиусу, проведённому в точку касания, — это свойство полностью аналогично свойству касательной к окружности на плоскости и часто используется в задачах на комбинации шара с другими телами (например, шара, вписанного в конус или цилиндр).
Вписанный и описанный шар
Шар называют вписанным в многогранник, если он касается всех его граней; радиус такого шара связан с объёмом и полной площадью поверхности многогранника формулой V=(1/3)·S_полн·r (эта формула получается разбиением многогранника на пирамиды с вершиной в центре шара и основаниями — гранями многогранника). Шар называют описанным около многогранника, если все его вершины лежат на сфере.
Пример 4: шар, вписанный в куб
Условие. В куб с ребром 6 см вписан шар (касается всех шести граней куба). Найдите объём шара.
Решение. Радиус вписанного в куб шара равен половине ребра куба: r=6/2=3 см:
Пример 5: шар, описанный около куба
Условие. Найдите радиус шара, описанного около куба с ребром 6 см (все вершины куба лежат на сфере).
Решение. Радиус описанного шара равен половине диагонали куба: d=6√3, r=d/2=3√3 см.
Типичные ошибки
Частая ошибка — перепутать формулы объёма шара V=(4/3)πR³ и площади сферы S=4πR², особенно степень R (третья степень для объёма, вторая — для площади). Другая ошибка — при нахождении радиуса сечения шара использовать саму секущую плоскость без учёта расстояния от центра, забывая про теорему Пифагора r²=R²−d². В задачах на вписанный и описанный шар типичная ошибка — перепутать радиус вписанного шара (связанный с апофемой или половиной стороны многогранника) с радиусом описанного шара (связанным с диагональю или расстоянием до вершины).
Краткий словарь терминов
Сфера — множество точек пространства, равноудалённых от центра.
Шар — тело, ограниченное сферой (все точки на расстоянии, не большем R, от центра).
Большой круг — сечение шара плоскостью, проходящей через центр; наибольшее возможное сечение.
Шаровой сегмент — часть шара, отсекаемая одной секущей плоскостью.
Объём шара — V=(4/3)πR³.
Заключение
Шар и сфера — базовые круглые тела стереометрии, объём и площадь поверхности которых выражаются простыми формулами V=(4/3)πR³ и S=4πR². Сечения шара плоскостями всегда являются кругами, что делает теорему Пифагора основным инструментом для нахождения радиуса сечения, а формулы для шарового сегмента и сектора, вместе со свойствами вписанных и описанных сфер, дополняют стандартный набор задач на эту фигуру в экзаменационных материалах.



