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球坐标系的基本原理及特点

【摘要】:半径r与z轴所夹的夹角为θ,当θ为常数时,在球形坐标系构成了两个面,一个是锥面,一个是球面。通过图1-2-2可知球坐标系中一点是由三个面两两垂直产生的。第三个单位矢量eφ与在圆柱坐标中eφ相同都是垂直于φ=常数的平面且与锥体和球体相切,方向指向东。如图1-2-2所示,三个单位矢量相互垂直且通过er×eθ=eφ来定义右手坐标系。

在直角坐标系下建立球形坐标系(图1-2-2(c))。首先定义原点到任意一定点的距离为r,r表示以原点为圆心,以r为半径的球面半径。半径r与z轴所夹的夹角为θ,当θ为常数时,在球形坐标系构成了两个面,一个是锥面,一个是球面。两个面交界处所对应的法线相互垂直。交界处组成的圆的半径是rsinθ,坐标值θ在经纬系统中可看作纬度,数值从正北方算起。

第三个坐标值φ与圆柱坐标系定义的角度φ完全相同,角φ是半径r在xy所在平面的投影与x轴的夹角。此角度对应的是经度,夹角越往东,角的度数越大。当φ=常数,表示垂直于xy组成的平面且此平面过z轴。

通过图1-2-2(c)可知球坐标系中一点是由三个面(球面、锥面和平面)两两垂直产生的。

球坐标系上一点的单位矢量都垂直于组成这个点的三个面中的一个面,并且方向指向能使坐标值增加的方向。单位矢量er是沿半径r的方向,箭头指向外且垂直于半径为r的球表面,存在于φ=常数和θ=常数的面中。单位矢量eθ垂直于圆锥表面,位于φ=常数的平面上并且与球面相切,方向为沿着“经度”线延伸到“南”。第三个单位矢量eφ与在圆柱坐标中eφ相同都是垂直于φ=常数的平面且与锥体和球体相切,方向指向东

如图1-2-2(c)所示,三个单位矢量相互垂直且通过er×eθ=eφ来定义右手坐标系。(www.chuimin.cn)

将直角坐标系的坐标值与球坐标系的坐标值进行互换的公式如下:

半径变量r是非负的,θ限制在0°到180°的范围内。