球面距离的向量求解方法及应用

2021-06-20 23:16:22山东省青岛第二中学分校杨庆忠
数学大世界 2021年13期
关键词:方法

山东省青岛第二中学分校 杨庆忠

在计算球面上两点间的球面距离时,一般的方法是先求出以这两点为端点的弦长,再求出该弦在大圆中所对圆心角的大小,从而求出这两点间的球面距离。而当球面上两点的经纬度各不相同时,用常规的方法求这两点为端点的弦长是比较麻烦的,而用向量求解就显得比较简洁了。

例如:求球面上两点A(经度为β,纬度为α),B(经度为β,纬度为α)的球面距离(经度中:东经记为“+”,西经记为“-”;纬度中:北纬记为“+”,南纬记为“-”;球半径记为R)。

所以球面上两点A、B的球面距离为:R×∠AOB的弧度数。

这种方法避免了立体几何方面的线面关系的判断,简单易用,在教学中收到了良好的效果。从结论来看,数学的“对称美”“简洁美”在结论中也有充分的体现。

当然,对于简单类型(如同纬度或同经度的问题),还是直接求解更方便一些。

应用实例:假如你要乘坐从广州直飞洛杉矶的飞机,设想一下,它需要沿着怎样的航线飞行呢?如果知道两地的经纬度,据此你能计算出航程吗?

解析:经查,广州A的经纬度为:东经113°,北纬23°;洛杉矶B的经纬度为:西经118°,北纬34°。地球半径R≈6370 km,球心记为O,如上图,

α1=23°,α2=34°,β1=113°,β2=-118°,

∴cos∠AOB=sinα1sinα2+cosα1cosα2cos(β1-β2)

=sin 23°sin 34°+cos 23°cos 34°cos 231°

≈-0.26176115250823。

∴∠AOB≈1.835弧度,

∴A,B的球面距离≈1.835R≈1.835×6370=11689 km。

答:广州白云机场到洛杉矶飞行距离约为11689 km。


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