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第49章 为什么球面不能展成平面图形

我们知道:圆柱、圆锥、圆台的侧面面积,可以利用它们在平面内的展开图来求出。由于球面不能展成平面图形,所以球的表面积公式无法用此法求出。

为什么球面不能展成平面图形呢?我们作如下说明。

圆柱、圆锥、圆台的侧面可以看成由一条直线(或线段)运动生成,球面是不能通过直线运动生成的。换言之,圆柱、圆锥、圆台的侧面存在直线,而在球面上没有一条直线存在。所以球面不能展成平面图形。我们把能够展成平面图形的曲面称为直纹面,圆柱、圆锥、圆台的侧面都是直纹面。

若在平面上随意剪下一块,例如矩形或扇形,就可以即不叠皱,也不撕破地吻合在圆柱或圆锥的侧面上。而在平面上无论你剪下什么样的形状的一块,都无法既不叠皱也不撕破地贴在球面上。事实上,如果我们在剪下的矩形、扇形或某一形状上,过任意一点,沿任意方向作相交于该点的直线段a、b、c……将这些画有线段a、b、c……的矩形、扇形贴在圆柱、圆锥侧面上,a、b、c……的长度均不变。而将画有线段a、b、c……的某形状往球面上贴,或者贴不上去,或者“贴”上去了,则某些方向上的线段c或d……长度就变了。因为只有使某些线段重合一部分,或拉长,或撕断才能贴在球的表面上去。两个曲面(平面是曲面的特殊情况)可以互相贴合的充要条件是这两个曲面等距。所谓等距是指两曲面间建立了一一对应关系,且对应曲线长度相等。平面与球面是建立不了等距关系的,所以球面不能展成平面图形。