對頂圓錐

對頂圓錐

對頂圓錐(vertically opposite circular cone)是一個圓錐形的幾何體,用垂直於圓錐面的軸的兩個平面去截圓錐面,如果圓錐頂點位於此兩平行平面之間,兩截口圓面與錐面圍成的封閉幾何體稱為對頂圓錐。對頂圓錐是特殊的第二型截錐 。

基本介紹

解析幾何指出:用平面去截對稱的對頂圓錐,平面和圓錐側面相交的曲線統稱為圓錐曲線。圓錐曲線是二元二次代數方程的解析式——ax²+bxy+cy²+dx+ey+f=0的幾何化。對於任意一個二元二次方程,都有一條圓錐曲線與之對應,反之,對於任意一條圓錐曲線,也必然有一個二元二次方程作為它的解析式。圓錐曲線的變化,反映著二元二次方程的變化,反之亦然。那么圓錐曲線是怎樣變化的呢?我們分兩種情形來說明。

圖1  對頂圓錐 圖1 對頂圓錐

首先,平面經過圓錐頂點O,並且和中軸l垂直,這時其交線變為一點,若平面繞頂點逆時針旋轉,隨著旋轉的量變積累,其與原平面的二面角等於90°—θ時,平面與圓錐側面相交成為直線(即圓錐的側棱),這便是量變引起的質變了。過了這個關節點,即二面角大於90°—θ時,其交線變為相交於圓錐頂點的兩條直線了。在這裡又是一次漸進過程的中斷——飛躍。 平面繼續旋轉直至180°時,交線的變化又依次為一條直線,一點。

圖2 對頂圓錐 圖2 對頂圓錐

其次,平面不經過圓錐頂點,而與其相交於任意點P,且平面與軸l垂直,此時交線是一個圓。 平面繞P點逆時針旋轉,交線便由圓轉化為橢圓,發生了質變。隨著旋轉的量的增加,共與原平面的二面角等於90°一θ時,橢圓又質變為拋物線了。過了這個關節點,即二面角大於90°—θ時,其交線又變為雙曲線了。平面繼續旋轉並達到180°的過程中,這種量變質變又會按顛倒了的次序重演。

曲線形式(第一種情形所得各種點、線,是圓錐曲線的特例)的量變質變,表現在描述曲線的方程上,就是二次曲線方程離心率e的量變質變 。

具體情況分析

(一)、若一截面僅平行於圓錐的一條母線,則截面與圓錐面的截線為拋物線。

圖3 圖3

如圖3,設有圓錐S-AB,平面γ //母線SA,交圓錐底面於MN,MN⊥AB。設P為平面γ與圓錐面截線上任一點。作圓錐S的一個內切球,內切球與圓錐面的切點圓平面為α,平面α與平面γ的交線為直線l,內切球切平面γ於F,連PF。

因平面α//圓錐底面,所以直線l//圓錐底面,所以MN//直線l,又MN⊥母線SA,所以SA⊥直線l。 過P作PC//SA,因SA//平面γ,所以PC 在平面γ內,所以PC⊥直線l。又設SA交平面α於D,連C、D交SP於E,因E在平面α內,又在圓錐母線SP上,所以E必在內切球與圓錐相切的切點圓上 。

由PC//SD,△SDE∽△PCE因SD=SE,所以PC=PE又PE、PF同為內切球的兩切線,所以PF=PE,所以PC=PF,所以P 點的軌跡是以F為焦點、以直線l為準線的拋物線。

(二)、若一截面不過圓錐頂點而與圓錐面的所有母線都相交,則截面與圓錐面的截線為橢圓。(當截面與圓錐的軸垂直時,截線為圓)

圖4 圖4

如圖4,設有圓錐S-AB,平面β斜交圓錐所有母線,P為平面β與圓錐面的截線上任一點。 在圓錐內部、平面β兩側各作一內切球O₁和內切球O₂,使與圓錐側面及平面β相切,得兩個切點圓及兩切點F₁、F₂。設母線SP交內切球O₁的切點圓於C,交內切球O₂的切點圓於D,連PF₁、PF₂。因PF₁、PC同為過P點的內切球O₁的兩條切線,PF₂、 PD同為過P點內切球O₂的兩條切線,

∴PF₁= PC,PF₂= PD,PF₁+PF₂=PC+PD=CD=定長,

∴P點的軌跡是以F₁、F₂為兩焦點、以CD為長軸長的橢圓 。

(三)、若一截面不過圓錐頂點,且同時與圓錐面及其對頂圓錐面都相交,則截面與圓錐面的截線為雙曲線。(截面與兩母線平行)

圖5 圖5
圖6 圖6

如圖5,設有圓錐S-AB,平面δ同時與圓錐S-AB及對頂圓錐面都相交,P為相交截線上任一點。在對頂圓錐內分別作內切球O₁、內切球O₂與圓錐面及平面δ都相切,分別得兩個切點圓及切點F₁、F₂,連PF₁、PF₂。又設母線PS分別交內切球O₁、內切球O₂於C、D。

因PF₁、PC同為過P點的內切球O₁的切線,PF₂、PD同為過P點的內切球O₂的切線,

∴PF₁= PC,PF₂=PD,

∴PF₁-PF₂= PC- PD=CD=定長,

∴P點的軌跡是以F₁、F₂為兩焦點,以CD為實軸長的雙曲線。

現在,我們也能證明為什麼球被陽光斜照後的影子是橢圓,為什麼圓柱形玻璃杯中水被傾斜後液面成橢圓。

如圖6,在圓柱內放進兩個內切球O₁和內切球O₂,使與圓柱側面及斜截面都相切,分別得切點圓O₁、切點圓O₂及兩切點F₁、F₂。設P為圓柱斜截面交線上任一點,過P作圓柱母線,交兩切點圓於M₁、M₂,

PM₁=PF₁,PM₂= PF₂,PF₁+PF₂= PM₁+ PM₂ = M₁M₂=定長,

∴P點的軌跡為以F、F為兩焦點、長軸長為M₁M₂的橢圓 。

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