柱坐标系与球坐标系

圆柱坐标系和球坐标系1. 圆柱坐标系圆柱坐标系是一种常用的三维坐标系，由一个水平的圆柱面和一个垂直的直线轴线组成。

在圆柱坐标系中，一个点的位置由径向距离、角度和高度三个参数来确定。

下面分别介绍这三个参数的定义和使用。

1.1 径向距离径向距离是指从原点（轴线的起点）到点的距离，通常用r表示。

在平面直角坐标系中，点(x,y)到坐标原点的距离可以用勾股定理来计算：$r = \\sqrt{x^2 +y^2}$。

在圆柱坐标系中，点$(r, \\theta, z)$到坐标原点的距离就是径向距离r。

1.2 角度角度参数$\\theta$表示从正向x轴逆时针转到点所在的平面的角度，通常用弧度表示。

在平面直角坐标系中，点(x,y)的角度可以用反正切函数来计算：$\\theta = \\arctan(\\frac{y}{x})$。

在圆柱坐标系中，点$(r, \\theta, z)$的角度就是参数$\\theta$。

1.3 高度高度参数z表示点在垂直轴线上的位置。

高度可以为正、负或零。

在圆柱坐标系中，一个点的位置可以用三个参数$(r, \\theta, z)$来表示。

2. 球坐标系球坐标系是另一种常用的三维坐标系，由一个球面和一个垂直的直线轴线组成。

在球坐标系中，一个点的位置由极径、极角和方位角三个参数来确定。

下面分别介绍这三个参数的定义和使用。

2.1 极径极径是指从原点到点的距离，通常用r表示。

在平面直角坐标系中，点(x,y)到坐标原点的距离可以用勾股定理来计算：$r = \\sqrt{x^2 + y^2}$。

在球坐标系中，点$(r, \\theta, \\phi)$到坐标原点的距离就是极径r。

2.2 极角极角参数$\\theta$表示从正向x轴逆时针转到点所在的平面的角度，通常用弧度表示。

在平面直角坐标系中，点(x,y)的角度可以用反正切函数来计算：$\\theta = \\arctan(\\frac{y}{x})$。

坐标系柱坐标系与球坐标系简介pptxx年xx月xx日contents •引言•坐标系柱坐标系•坐标系球坐标系•柱坐标系与球坐标系的比较•如何选择合适的坐标系•坐标系在科学领域的应用及发展目录01引言描述物体位置和运动的基本工具为定量描述提供基础应用于不同领域如物理、地理、工程等坐标系在科学领域的重要性坐标系基本概念及分类直角坐标系极坐标系Array基于距离和角度基于三个互相垂直的坐标轴圆柱坐标系球坐标系基于距离、角度和高度基于距离、角度和极角本次报告的主要内容比较两种坐标系的优缺点和适用范围举例说明在物理学和工程学中的应用柱坐标系与球坐标系的定义、性质和应用02坐标系柱坐标系1柱坐标系基本概念23是三维坐标系的一种，利用长度、角度和高度来描述点的位置。

柱坐标系以长度为r、角度为θ、高度为z三个参数来表示点的位置。

圆柱坐标系以球半径R、角度θ和 φ来表示点的位置，其中θ表示经度，φ表示纬度。

球面坐标系通过将直角坐标系的x、y坐标值分别替换为r和θ角度值，将z 坐标值保持不变即可实现转换。

直角坐标系转换为柱坐标系需要将r、θ和z三个参数转换为x、y、z三个方向的坐标值，其中x=r*cos(θ)，y=r*sin(θ)，z=z。

柱坐标系转换为直角坐标系柱坐标系与直角坐标系转换1柱坐标系应用举例23在地球物理学中，柱坐标系常被用于描述地球表面和内部的结构和特征。

在电磁学中，柱坐标系常被用于描述圆柱形导体中的电场和磁场分布。

在流体力学中，柱坐标系常被用于描述管道内的流体流动和传热等物理现象。

03坐标系球坐标系球坐标系是三维坐标系的一种，由一个原点、一个在原点正上方的北极点以及一条从原点出发，指向北极点的极轴构成。

球坐标系基本概念定义径向距离、角度和高度。

三个基本元素在球坐标系中，点的位置由径向距离、角度和高度三个参数确定。

坐标表示直角坐标系转换为球坐标系通过将直角坐标系的三个轴分别投影到球坐标系的三个元素上，可以得到球坐标系表示的点。

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图 1-5-2
如图 1-5-2 所示，设 z 轴的正向与向量O→M的夹角为 φ，x 轴的正向与O→M0的 夹角为 θ，M 点到原点 O 的距离为 r，则由三个数 r，θ，φ 构成的有序数组 (r，θ，φ)称为空间中点 M 的球坐标.若设投影点 M0 在 xOy 平面上的极坐标为(ρ， θ)，则极坐标 θ 就是上述的第二个球坐标 θ.在球坐标中限定 r≥0,0≤θ<2π， 0≤φ≤π.
则有11＝ ＝ρρcsions
θ， θ，
z＝1，
解之得，ρ＝ 2，θ＝π4.
因此，点 M 的柱坐标为( 2，π4，1).
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由直角坐标系中的直角坐标求柱坐标，可以先设出点 M 的柱坐标为ρ，θ，
z代入变换公式xy＝ ＝ρρcsions
θ， θ，
z＝z.
求 ρ；也可以利用 ρ2＝x2＋y2，求 ρ.利用 tan θ＝yx，
∵(r，θ，φ)＝(3，53π，56π)，
x＝rsin φcos θ＝3sin56πcos53π＝34，
y＝rsin φsin θ＝3sin56πsin53π＝－343，
z＝rcos
φ＝3cos56π＝－3
2
3 .
∴点
M
的直角坐标为(34，－3
4
3，－3
2
3 ).
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类型三 空间点的直角坐标化为球坐标 已知长方体 ABCD－A1B1C1D1 中，底面正方形 ABCD 的边长为 1，
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[质疑·手记] 预习完成后，请将你的疑问记录，并与“小伙伴们”探讨交流： 疑问 1： _____________________________________________________ 解惑： _______________________________________________________ 疑问 2： _____________________________________________________ 解惑： _______________________________________________________ 疑问 3： ______________________________________________________ 解惑： _______________________________________________________

§3柱坐标系和球坐标系1．柱坐标系如图1－3－1，建立空间直角坐标系O －xyz .设M (x ，y ，z )为空间一点，并设点M 在xOy 平面上的投影点P 的极坐标为(r ，θ)，则这样的三个数r ，θ，z 构成的有序数组(r ，θ，z )就叫作点M 的柱坐标，这里规定r ，θ，z 的变化范围为0≤r ＜＋∞，0≤θ＜2π，－∞＜z ＜＋∞.图1－3－1特别地，r ＝常数，表示的是以z 轴为轴的圆柱面；θ＝常数，表示的是过z 轴的半平面； z ＝常数，表示的是与xOy 平面平行的平面． 2．球坐标系设M (x ，y ，z )为空间一点，点M 可用这样三个有次序的数r ，φ，θ来确定，其中r 为原点O 到点M 间的距离，φ为有向线段OM →与z 轴正方向所夹的角，θ为从z 轴正半轴看，x 轴正半轴按逆时针方向旋转到有向线段O P →的角，这里P 为点M 在xOy 平面上的投影(如图1－3－2)．这样的三个数r ，φ，θ构成的有序数组(r ，φ，θ)叫作点M 的球坐标，这里r ，φ，θ的变化范围为0≤r <＋∞，0≤φ≤π，0≤θ＜2π.图1－3－2特别地，r ＝常数，表示的是以原点为球心的球面；φ＝常数，表示的是以原点为顶点，z 轴为轴的圆锥面； θ＝常数，表示的是过z 轴的半平面． 3．空间中点的坐标之间的变换公式设空间一点M 的直角坐标为(x ，y ，z )，柱坐标为(r ，θ，z )，球坐标为(r ，φ，θ)，则1．空间中点的三种坐标各有何特点？【提示】 设空间中点M 的直角坐标为(x ，y，z )，柱坐标为(r ，θ，z )，球坐标为(r ，φ，θ)，它们都是有序数组，但意义不同．直角坐标为三个实数；柱坐标分别表示距离、角、实数；球坐标分别表示距离、角、角．2．在空间的柱坐标系中，方程r ＝r 0(r 0为不等于0的常数)，θ＝θ0，z ＝z 0分别表示什么图形？【提示】 在空间的柱坐标系中，方程r ＝r 0表示中心轴为z 轴，底半径为r 0的圆柱面，它是上述圆周沿z 轴方向平行移动而成的．方程θ＝θ0表示与zOx 坐标面成θ0角的半平面．方程z ＝z 0表示平行于xOy 坐标面的平面，如图所示．常把上述的圆柱面、半平面和平面称为柱坐标系的三族坐标面． 3．在空间的球坐标系中，方程r ＝r 0(r 0为正常数)，θ＝θ0(0≤θ0＜2π)，φ＝φ0(0≤φ0＜π)，各表示什么图形？【提示】 在空间的球坐标系中，方程r ＝r 0(r 0为正常数)，表示球心在原点，半径为r 0的球面；方程θ＝θ0(0≤θ0＜2π)，表示过z 轴的半平面，它与zOx 坐标面的夹角为θ0；方程φ＝φ0(0≤φ0≤π)，表示顶点在原点，半顶角为φ0的圆锥面，它的中心轴是z 轴，φ0＜π2时它在上半空间，φ0＞π2时它在下半空间，φ0＝π2时它是xOy 平面(如图所示).根据下列点的柱坐标，分别求直角坐标：(1)(2，5π6，3)；(2)(2，π4，5)． 【思路探究】柱坐标――→x ＝r cos θy ＝r sin θz ＝z直角坐标 【自主解答】 设点的直角坐标为(x ，y ，z )． (1)∵(r ，θ，z )＝(2，5π6，3)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θ＝2cos 5π6＝－3，y ＝r sin θ＝2sin 5π6＝1，z ＝3，∴(－3，1,3)为所求．(2)∵(r ，θ，z )＝(2，π4，5)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θ＝2cos π4＝1，y ＝r sin θ＝2sin π4＝1，z ＝5，∴(1,1,5)为所求．点(r ，θ，z )是三维空间坐标系中的点的坐标，在平面xOy 内实际为极坐标系，且r ≥0,0≤θ＜2π，在竖直方向上，z 为任意实数．化点的柱坐标(r ，θ，z )为直角坐标(x ，y ，z )，需要运用公式⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θy ＝r sin θz ＝z 转化为三角函数的求值与运算即得．将下列各点的柱坐标分别化为直角坐标： (1)(2，π6，1)；(2)(1，π，0)．【解】 设点的直角坐标为(x ，y ，z )， (1)∵(r ，θ，z )＝(2，π6，1)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θ＝2cos π6＝3，y ＝r sin θ＝2sin π6＝1，z ＝1，∴(3，1,1)为所求．(2)∵(r ，θ，z )＝(1，π，0)， ∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θ＝cos π＝－1，y ＝r sin θ＝sin π＝0，z ＝0，∴(－1,0,0)为所求．把下列各点的球坐标化为直角坐标．(1)(2，34π，54π)；(2)(6，π3，π6)． 【思路探究】球坐标――→x ＝r sin φcos θy ＝r sin φsin θz ＝r cos φ直角坐标【自主解答】 设点的直角坐标为(x ，y ，z )， (1)∵(r ，φ，θ)＝(2，3π4，5π4)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ＝2sin 3π4cos 5π4＝－1，y ＝r sin φsin θ＝2sin 3π4sin 5π4＝－1，z ＝r cos φ＝2cos 3π4＝－2，∴(－1，－1，－2)为所求． (2)∵(r ，φ，θ)＝(6，π3，π6)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ＝6sin π3cos π6＝364，y ＝r sin φsin θ＝6sin π3sin π6＝324，z ＝r cos φ＝6cos π3＝62，∴(364，324，62)为所求．首先要明确点的球坐标(r ，φ，θ)中角φ，θ的边与数轴Oz ，Ox 的关系，注意各自的限定范围，即0≤φ≤π，0≤θ＜2π.化点的球坐标(r ，φ，θ)为直角坐标(x ，y ，z )，需要运用公式⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ，y ＝r sin φsin θ，z＝r cos φ转化为三角函数的求值与运算．将下列各点的球坐标分别化为直角坐标： (1)(6，π3，23π)；(2)(3，π，π)． 【解】 设点的直角坐标为(x ，y ，z ) (1)∵(r ，φ，θ)＝(6，π3，2π3)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ＝6sin π3cos 2π3＝－332，y ＝r sin φsin θ＝6sin π3sin 2π3＝92，z ＝r cos φ＝6cos π3＝3，∴(－332，92，3)为所求． (2)∵(r ，φ，θ)＝(3，π，π)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ＝3sin πcos π＝0，y ＝r sin φsin θ＝3sin πsin π＝0，z ＝r cos φ＝3cos π＝－3，∴(0,0，－3)为所求．坐标图1－3－3已知正方体ABCD －A 1B 1C 1D 1的棱长为1，如图1－3－3，建立空间直角坐标系A －xyz ，以Ax 为极轴，求点C 1的直角坐标、柱坐标以及球坐标．【思路探究】 先求C 1的直角坐标，再根据柱坐标、球坐标与直角坐标的关系，求得其柱坐标、球坐标．【自主解答】 点C 1的直角坐标为(1,1,1)．设点C 1的柱坐标为(r ，θ，z )，球坐标为(r ，φ，θ)，其中r ≥0，r ≥0,0≤φ≤π，0≤θ＜2π.由公式⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θ，y ＝r sin θ，z ＝z及⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ，y ＝r sin φsin θ，z ＝r cos φ，得⎩⎨⎧r ＝x 2＋y 2，tan θ＝yx (x ≠0)，及⎩⎨⎧r ＝x 2＋y 2＋z 2，cos φ＝z r ，得⎩⎪⎨⎪⎧r ＝2，tan θ＝1，及⎩⎨⎧r ＝3，cos φ＝33，结合图形，得θ＝π4， 由cos φ＝33得tan φ＝ 2.所以点C 1的直角坐标为(1,1,1)，柱坐标为(2，π4，1)，球坐标为(3，φ，π4)，其中tan φ＝2，0≤φ≤π.化点M 的直角坐标(x ，y ，z )为柱坐标(r ，θ，z )或球坐标(r ，φ，θ)，需要对公式⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r cos θy ＝r sin θz ＝z以及⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θy ＝r sin φsin θz ＝r cos φ进行逆向变换，得到⎩⎪⎨⎪⎧r ＝x 2＋y 2tan θ＝yx(x ≠0)z ＝z以及⎩⎨⎧r ＝x 2＋y 2＋z 2，cos φ＝zr .提醒在由三角函数值求角时，要结合图形确定角的范围再求值．若本例中条件不变，求点C 、D 的柱坐标与球坐标．【解】 结合图形知点C 的直角坐标为(1,1,0)，柱坐标为(2，π4，0)，球坐标为(2，π2，π4)，同样点D的直角坐标为(0,1,0)，柱坐标为(1，π2，0)，球坐标为(1，π2，π2)．(教材第22页练习第1题)如图1－3－4，把边长为1个单位长度的正方体分别放到空间直角坐标系中的不同位置，试说出正方体各个顶点的柱坐标和球坐标．图1－3－4(2013·镇江模拟)结晶体的基本单位称为晶胞，如图1－3－5是食盐晶胞的示意图(可看成是八个棱长为12的小正方体堆积成的正方体)．图形中的点代表钠原子，如图1－3－6，建立空间直角坐标系O —xyz 后，试写出下层钠原子所在位置的球坐标、柱坐标．图1－3－5图1－3－6【命题意图】 本题以食盐晶胞为载体，主要考查柱坐标系及球坐标系在确定空间点的位置中的应用．【解】 下层的原子全部在xOy 平面上，它们所在位置的竖坐标全是0，所以这五个钠原子所在位置的球坐标分别为(0,0,0)，(1，π2，0)，(2，π2，π4)，(1，π2，π2)，(22，π2，π4)；它们的柱坐标分别为(0,0,0)，(1,0,0)，(2，π4，0)，(1，π2，0)，(22，π4，0).1．要刻画绕地球运转的某气象卫星的位置，应适合运用( ) A ．极坐标系 B ．空间直角坐标系 C ．柱坐标系D ．球坐标系【解析】 由题意知D 正确． 【答案】 D2．已知点A 的柱坐标为(1,0,1)，则点A 的直角坐标为( )A ．(1,1,0)B ．(1,0,1)C ．(0,1,1)D ．(1,1,1)【解析】 由点A 的柱坐标为(1,0,1)知，r ＝1，θ＝0，z ＝1， 故x ＝r cos θ＝1，y ＝r sin θ＝0，z ＝1，所以直角坐标为(1,0,1)． 【答案】 B3．已知点A 的球坐标为(3，π2，π2)，则点A 的直角坐标为( ) A ．(3,0,0) B ．(0,3,0) C ．(0,0,3)D ．(3,3,0)【解析】 ∵x ＝3×sin π2×cos π2＝0，y ＝3×sin π2×sin π2＝3，z ＝2×cos π2＝0，∴直角坐标为(0,3,0)．故选B. 【答案】 B4．设点M 的直角坐标为(1,1，2)，则点M 的柱坐标为________，球坐标为________．【解析】 由坐标变换公式，可得ρ＝x 2＋y 2＝2，tan θ＝y x ＝1，θ＝π4(点(1,1)在平面xOy 的第一象限)，r ＝x 2＋y 2＋z 2＝12＋12＋(2)2＝2. 由r cos φ＝z ＝2， 得cos φ＝2r ＝22，φ＝π4.∴点M 的柱坐标为(2，π4，2)，球坐标为(2，π4，π4)． 【答案】 (2，π4，2) (2，π4，π4)一、选择题1．在空间球坐标系中，方程r ＝2(0≤φ≤π2，0≤θ＜2π)表示( ) A ．圆 B ．半圆 C ．球面 D ．半球面【解析】 由球坐标系的定义知，r ＝2(0≤φ≤π2，0≤θ＜2π)表示半球面，故选D.【答案】 D2．设点M 的直角坐标为(－1，－3，3)，则它的柱坐标是( ) A ．(2，π3，3) B ．(2，2π3，3)C ．(2，4π3，3)D ．(2，5π3，3)【解析】 ∵r ＝(－1)2＋(－3)2＝2，θ＝4π3，z ＝3，∴M 的柱坐标为(2，4π3，3)，故选C. 【答案】 C3．设点M 的直角坐标为(－1，－1，2)，则它的球坐标为( ) A ．(2，π4，π4) B ．(2，π4，5π4) C ．(2，5π4，π4) D ．(2，3π4，π4)【解析】 由坐标变换公式，得r ＝x 2＋y 2＋z 2＝2，cos φ＝zr ＝22，∴φ＝π4.∵tan θ＝y x ＝－1－1＝1，∴θ＝54π，∴M 的球坐标为(2，π4，54π)，故选B. 【答案】 B4．已知点M 的球坐标为(4，π4，3π4)，则点M 到Oz 轴的距离为( ) A ．2 2 B. 2 C ．2 D ．4【解析】 设点M 的直角坐标为(x ，y ，z )， ∵(r ，φ，θ)＝(4，π4，3π4)，∴⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ＝4sin π4cos 3π4＝－2，y ＝r sin φsin θ＝4sin π4sin 3π4＝2，z ＝r cos φ＝4cos π4＝22，∴M (－2,2,22)，到Oz 轴的距离为(－2)2＋22＝2 2.故选A. 【答案】 A 二、填空题5．若点M 的球坐标为(3，5π6，5π3)，则点M 的直角坐标为________． 【解析】 设M 的直角坐标为(x ，y ，z )则⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ＝3sin 5π6cos 5π3＝34，y ＝r sin φsin θ＝3sin 5π6sin 5π3＝－334，z ＝r cos φ＝3cos 5π6＝－332.∴点M 的直角坐标为(34，－334，－332)． 【答案】 (34，－334，－332)6．(2013·长春检测)在柱坐标系中，点M 的柱坐标为(2，23π，5)，则|OM |＝________.【解析】 设点M 的直角坐标为(x ，y ，z )． 由(r ，θ，z )＝(2，23π，5)知x ＝r cos θ＝2cos 23π＝－1， y ＝2sin 23π＝ 3. 因此|OM |＝x 2＋y 2＋z 2 ＝(－1)2＋(3)2＋(5)2＝3. 【答案】 3 三、解答题7．已知点P 的柱坐标为(2，π4，5)，点B 的球坐标为(6，π3，π6)，求这两个点的直角坐标．【解】 设点P 的直角坐标为(x ，y ，z )， 则x ＝2cos π4＝2×22＝1， y ＝2sin π4＝1，z ＝5.设点B 的直角坐标为(x ，y ，z )，则x ＝6sin π3cos π6＝6×32×32＝364， y ＝6sin π3sin π6＝6×32×12＝324， z ＝6cos π3＝6×12＝62.所以点P 的直角坐标为(1,1,5)，点B 的直角坐标为(364，324，62)． 8．经过若干个固定和流动的地面遥感观测站监测，并通过数据汇总，计算出一个航天器在某一时刻的位置，离地面2 384千米，地球半径为6 371千米，此时经度为80°，纬度为75°.试建立适当的坐标系，确定出此时航天器点P 的坐标．【解】 在赤道平面上，选取地球球心为极点，以O 为原点且与零子午线相交的射线Ox 为极轴，建立球坐标系．由已知航天器位于经度为80°，可知θ＝80°＝49π.由航天器位于纬度75°，可知，φ＝90°－75°＝15°＝π12，由航天器离地面2 384千米，地球半径为6 371千米，可知r ＝2 384＋6 371＝8 755千米．所以点P 的球坐标为(8 755，π12，4π9)．9．在柱坐标系中，求满足⎩⎪⎨⎪⎧r ＝1，0≤θ＜2π0≤z ≤2，的动点M (r ，θ，z )围成的几何体的体积．【解】 根据柱坐标系与点的柱坐标的意义可知，满足r ＝1,0≤θ＜2π，0≤z ≤2的动点M (r ，θ，z )的轨迹如图所示，是以直线Oz 为轴，轴截面为正方形的圆柱．圆柱的底面半径r ＝1，h ＝2. 所以V ＝Sh ＝πr 2h ＝2π.教师备选10．已知在球坐标系Oxyz 中，M (6，π3，π3)，N (6，2π3，π3)，求|MN |. 【解】 法一 由题意知，|OM |＝|ON |＝6，∠MON ＝π3， ∴△MON 为等边三角形，∴|MN |＝6. 法二 设M 点的直角坐标为(x ，y ，z )，则⎩⎪⎨⎪⎧x ＝6sin π3cos π3＝332，y ＝6sin π3sin π3＝92，z ＝6cos π3＝3.故点M 的直角坐标为(332，92，3)， 同理得点N 的直角坐标为(332，92，－3)， ∴|MN |＝(323－323)2＋(92－92)2＋(3＋3)2＝0＋0＋62＝6.。

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1.将下列各点的柱坐标化为直角坐标.
π 2 P2，6，1，Q4，3π，－3
解
x＝ρcos θ 直接代入互化公式y＝ρsin θ ， z＝z
可得 P 的直角坐标为( 3，1，1)，Q 点的直角 坐标为(－2，2 3，－3).
§3 柱坐标系和球坐标系
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1.柱坐标系
(1)定义：在平面极坐标系的基础上，通过极点O，再增加 一条与极坐标系所在平面垂直的z轴，这样就建立了柱坐 标系.设M(x，y，z)为空间一点，并设点M在xOy平面上的 投影点P的极坐标为(r，θ)，则这样的三个数r，θ，z构成 (r，θ，z)就叫作点M的柱坐标 的有序数组________ ______，这里规定r，θ， 0≤r＜＋∞，________ 0≤θ＜2π， －∞＜z＜＋∞ . z的变化范围为__________ 特别地，r＝常数，表示的是以z轴为轴的圆柱面；θ＝常 数，表示的是 过z轴的半平面 xOy平面平行的平面 .
；
φ＝常数，表示的是以原点为顶点，z轴为轴的圆锥面；
(2)空间点P的直角坐标(x，y，z)与球坐标(r，φ，θ)之间 的变换关系为
sin φ· cos θ， x＝r· sin φ· sin θ， y＝r· z＝rcos φ.
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【思维导图】
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【反思感悟】 写空间任一点的球半径，就是 求该点到点O的距离和方位角、高低角.两个角 可以和地球的经纬度相结合，要搞清它们的联

柱坐标和球坐标柱坐标和球坐标是数学中常用的两种坐标系，它们在描述空间中点的位置时有各自的特点和应用。

本文将介绍柱坐标和球坐标的定义、表示方法以及它们之间的转换关系。

柱坐标柱坐标是三维空间中表示点位置的坐标系之一。

柱坐标通常使用径向距离r、极角 $\\theta$ 和高度z来描述一个点的位置。

在柱坐标系中，点 $(r, \\theta,z)$ 表示距离原点的长度为r，与x轴正向的夹角为 $\\theta$，高度为z的点。

柱坐标系下，点 $(r, \\theta, z)$ 与直角坐标系下的点(x,y,z)之间的关系可以用以下公式表示：$$ \\begin{aligned} x &= r \\cdot \\cos(\\theta) \\\\ y &= r \\cdot\\sin(\\theta) \\\\ z &= z \\end{aligned} $$球坐标球坐标是另一种用于表示三维空间中点位置的坐标系。

球坐标通常使用球径ρ、极角 $\\phi$ 和方位角 $\\theta$ 来描述点的位置。

在球坐标系中，点$(ρ, \\phi,\\theta)$ 表示距离原点的长度为ρ，与z轴正向的夹角为 $\\phi$，与x轴正向的夹角为 $\\theta$ 的点。

球坐标系下，点$(ρ, \\phi, \\theta)$ 与直角坐标系下的点(x,y,z)之间的关系可以用以下公式表示：$$ \\begin{aligned} x &= ρ \\cdot \\sin(\\phi) \\cdot \\cos(\\theta) \\\\ y &= ρ \\cdot \\sin(\\phi) \\cdot \\sin(\\theta) \\\\ z &= ρ \\cdot \\cos(\\phi)\\end{aligned} $$柱坐标和球坐标之间的转换要将柱坐标转换为球坐标，可以使用以下公式：$$ \\begin{aligned} ρ &= \\sqrt{r^2 + z^2} \\\\ \\phi &=\\arctan\\left(\\frac{r}{z}\\right) \\\\ \\theta &= \\theta \\end{aligned} $$ 类似地，要将球坐标转换为柱坐标，可以使用以下公式：$$ \\begin{ali gned} r &= ρ \\cdot \\sin(\\phi) \\\\ z &= ρ \\cdot \\cos(\\phi) \\\\ \\theta &= \\theta \\end{aligned} $$应用和总结柱坐标和球坐标在不同的场景中有着广泛的应用，例如在物理学、工程学和计算机图形学领域。

柱坐标与球坐标系简介
在数学和物理学中，柱坐标和球坐标系是描述三维空间中点的两种常用坐标系。

它们为研究三维问题提供了方便的工具，可以使问题的表达和求解更加简洁。

柱坐标系
柱坐标系是一种用圆柱形式来描述三维空间中的点的坐标系。

在柱坐标系中，
一个点的位置由距离原点的长度、与正向x轴的夹角和z坐标组成。

通常用(r, θ, z)来表示一个点的坐标，其中r表示点到原点的距离，θ表示点在x-y平面上的极角，z表示点在z轴上的坐标。

柱坐标系在求解具有轴对称性的问题时特别有用，例如旋转体的体积和表面积
的计算等问题。

球坐标系
球坐标系是通过球坐标来描述三维空间中的点的坐标系。

在球坐标系中，一个
点的位置由距离原点的长度、与正向z轴的夹角和在x-y平面上的极角组成。

通常用(r, θ, φ)来表示一个点的坐标，其中r表示点到原点的距离，θ表示点在x-y平面上的极角，φ表示点在z轴上的极角。

球坐标系常常用于处理具有球对称性或球体几何的问题，例如电场和磁场的计
算等。

它也在计算机图形学和三维建模中被广泛应用。

无论是柱坐标系还是球坐标系，它们都是解决特定类型的问题时十分有效的工具。

通过灵活运用这两种坐标系，我们可以更好地理解和分析三维空间中的问题，为实际问题的求解提供更多的可能性和方法。

柱坐标和球坐标系给了我们描述空间中点位置的不同视角，为解决相关问题提
供了更多的数学工具。

通过学习和掌握这两种坐标系的原理和应用，我们可以在数学和物理领域中更加灵活地处理复杂的三维问题。

(2,
6
, 7) ，
( 3,1, 7)坐标.
（2， ，4）
3
2.球坐标系
思考：
某市的经纬度： 北纬42°，东经119°.
经度和纬度都是一种角度。经度是个两面角，是两个经线平面的夹角。 因所有经线都是一样长，为了度量经度选取一个起点面，经1884年国际 会议协商，决定以通过英国伦敦近郊、泰晤士河南岸的格林尼治皇家天文 台（旧址）的一台主要子午仪十字丝的那条经线为起始经线，称为本初子 午线。本初子午线平面是起点面，终点面是本地经线平面。某一点的经度， 就是该点所在的经线平面与本初子午线平面间的夹角。在赤道上度量，自 本初子午线平面作为起点面，分别往东往西度量，往东量值称为东经度， 往西量值称为西经度。由此可见，一地的经度是该地对于本初子午线的方 向和角距离。本初子午线是0°经度，东经度的最大值为180°，西经度 的最大值为180°，东、西经180°经线是同一根经线，因此不分东经 或西经，而统称180°经线。（横纬竖经）在地球仪上与赤道平行的都是 纬度 与赤道垂直的都是经度
球坐标系
P(r, j , )
r 0
0j 0 2
z
P(r, j , )
j
r
y
o
θQ
x
将球坐标转化为直角坐标： z
x r sin j cos
y
r
sin
j
sin
z r cosj
r 0
x
0j
P(r, j , )
jr
o
y
θ
Q
0 2
练习
1.设Q点的球坐标为 (2, 3 , 3 ) ，
ρ≥0,
0≤θ＜ 2π,
o
-∞＜z＜+∞

z
针方向旋转到OQ时所转过的最小正角
为θ. 这样点 P 的位置就可以用有序数 组(r,φ,θ)表示.
空间的点与有序数组 (r,φ,θ)之间建立了一种 对应关系.
z
P(r,φ,θ)
我们把建立上述 Q 对应关系的坐标系 x 叫做球坐标系 (或空间极坐标系) .
o θ
r φ
y
有序数组(r,φ,θ)叫做点P的球坐标， 其中 r 0 , 0 , 0 2
柱坐标系又称半极坐标系，它是由 平面极坐标系及空间直角坐标系中的 一部分建立起来的. 空间点P的直角坐标(x, y, z)与柱坐 标 (ρ ,θ ,Z) 之间的变换公式为
x cos y sin z z
设点的直角坐标为(1，1，1)，求它 在柱坐标系中的坐标.
小结
坐标系
数轴 平面直角坐标系 平面极坐标系 空间直角坐标系 柱坐标系 球坐标系
坐标系是联系形与数的桥梁，利用 坐标系可以实现几何问题与代数问题 的相互转化，从而产生了坐标法.
阅读课本P16---17
了解柱坐标系的定义, 以及如何用
柱坐标系描述空间中的点.
z 设P是空间任意一点， P(ρ,θ,Z) 在oxy平面的射影为Q， 用(ρ ,θ )(ρ ≥0, 0≤θ ＜2π )表示点Q o y 在平面oxy上的极坐标， θ 点P的位置可用有 Q x 序数组(ρ ,θ ,z)表示. 把建立上述对应关系的坐标系叫做柱 坐标系. 有序数组(ρ ,θ ,Z)叫点P的柱 坐标，记作(ρ ,θ ,Z). 其中 ρ ≥0, 0≤θ ＜ 2π , -∞＜Z＜+∞
1 cos 1 sin 1 z
点在柱坐标系中的坐标为 （ 2 ， ，1）.

x＝ρcos θ， 则由y＝ρsin θ，
z＝z，
x＝πcos π， 得y＝πsin π，zΒιβλιοθήκη π，x＝－π， ∴y＝0，
z＝π.
因此，点 N 的直角坐标为(－π，0，π)．
坐标．
已知点 M 的球坐标为(2，34π，34π)，求它的直角 【自主解答】 设点的直角坐标为(x，y，z)．
x＝2sin34πcos34π＝2× 22×－ 22＝－1， 则y＝2sin34πsin34π＝2× 22× 22＝1，
.
(1)设点 M 的直角坐标为(1,1,1)，求它的柱坐标 系中的坐标．
(2)设点 N 的柱坐标为(π，π，π)，求它的直角坐标．
【自主解答】 (1)设 M 的柱坐标为(ρ，θ，z)，
1＝ρcos θ， 则由1＝ρsin θ， z＝1，
解之得，ρ＝ 2，θ＝π4.
因此，点 M 的柱坐标为( 2，4π，1)． (2)设 N 的直角坐标为(x，y，z)，
建立了空间的点与有序数组 (ρ，θ，z) 之间的一 种对应关系，把建立上述对应关系的坐标系叫做 柱坐标系， 有序数组(ρ，θ，z)叫做点 P 的柱坐标，记作 P(ρ，θ，z) ，
其中 ρ≥0,0≤θ<2π，z∈R.
2．球坐标系
图 1－4－2 建立如图 1－4－2 所示的空间直角坐标系 Oxyz.设 P 是空 间任意一点，连接 OP，记|OP|＝r，OP 与 Oz 轴正向所夹的 角为 φ.
图 1－4－3
【自主解答】 点 C1 的直角坐标为(1,1， 2)． 设 C1 的球坐标为(r，φ，θ)，其中 r≥0,0≤φ≤π，0≤θ<2π， 由 x＝rsin φcos θ，y＝rsin φsin θ，z＝rcos φ， 得 r＝ x2＋y2＋z2＝ 12＋ 22＋12＝2. 由 z＝rcos φ，∴cos φ＝ 22，φ＝4π 又 tan θ＝yx＝1，∴θ＝π4， 从而点 C1 的球坐标为(2，π4，π4)

圆柱坐标系和球坐标系的区别圆柱坐标系（Cylindrical Coordinate System）和球坐标系（Spherical Coordinate System）是一种常用的数学坐标系统，用于描述三维空间中的点。

它们各自有其独特的特点和应用领域，下面将介绍这两种坐标系的区别。

圆柱坐标系（Cylindrical Coordinate System）圆柱坐标系是一种三维坐标系，其中一个坐标轴用于表示点到原点的直线距离，另外两个坐标轴用于表示点所在平面上的位置。

圆柱坐标系由以下三个坐标组成：•径向坐标（r）：表示点到原点的距离。

•极角（θ）：表示点到原点的连线与某一固定方向之间的夹角。

•高度（z）：表示点在垂直于该平面并与原点相交的直线上的位置。

圆柱坐标系常用于柱状或圆柱体的描述，例如，圆柱坐标系可以用于描述喷管的形状、涡轮机的叶片等。

在工程和物理学领域中，圆柱坐标系的优势在于它们能够简化问题的分析和求解，特别是在涉及到旋转对称性的情况下。

球坐标系（Spherical Coordinate System）球坐标系也是一种三维坐标系，其中一个坐标轴用于表示点到原点的距离，另外两个坐标轴用于表示点所在球面上的位置。

球坐标系由以下三个坐标组成：•径向坐标（r）：表示点到原点的距离。

•极角（θ）：表示点到原点的连线与某一固定方向之间的夹角。

•方位角（φ）：表示点所在的经度。

球坐标系常用于球体或球形物体的描述，例如，天文学中常使用球坐标系来描述星体的位置和运动。

球坐标系在物理学和数学中也被广泛应用，因为它们能够简化球对称问题的表示和解决。

圆柱坐标系和球坐标系的区别圆柱坐标系和球坐标系在表示三维空间中的点时有一些主要的区别：1.表示范围不同：圆柱坐标系中，径向坐标（r）和高度（z）可以取任意实数值，极角（θ）可以取0到360度或0到2π弧度的值。

而球坐标系中，径向坐标（r）通常为非负实数，极角（θ）通常取0到180度或0到π弧度的值，方位角（φ）通常取0到360度或0到2π弧度的值。

柱坐标和球坐标公式
在数学和物理学中，柱坐标和球坐标是表示空间中点的两种常用坐标系。

这两种坐标系是笛卡尔坐标系的重要扩展，能够更好地描述三维空间中的点的位置。

柱坐标
柱坐标是三维空间中的一种坐标系，通常用来描述点相对于原点的位置。

在柱坐标系中，一个点的位置由径向(r)、极角(θ)和高度(z)三个坐标值来确定。

柱坐标系和笛卡尔坐标系之间的转换关系如下： - x = r * cos(θ) - y = r * sin(θ) - z = z
其中，r表示点到z轴的距离，θ表示点在xy平面内的极角，z表示点在z轴上的高度。

球坐标
球坐标是另一种常用的三维空间坐标系，用来描述点相对于原点的位置。

球坐标系由径向(r)、极角(θ)和方位角(φ)三个坐标值来确定一个点的位置。

球坐标系和笛卡尔坐标系之间的转换关系如下： - x = r * sin(θ) * cos(φ) - y = r * sin(θ) * sin(φ) - z = r * cos(θ)
其中，r表示点到原点的距离，θ表示点到正z轴的倾角，φ表示点在xy平面上的旋转角度。

柱坐标和球坐标的应用
柱坐标和球坐标在物理学、工程学和计算机图形学等领域有着广泛的应用。

例如，在物理学中，利用柱坐标和球坐标可以更方便地描述和计算力、电场等的分布情况；在工程学中，柱坐标和球坐标可以简化对结构的分析和设计；在计算机图形学中，通过柱坐标和球坐标可以更加自然地进行三维建模和渲染。

总的来说，柱坐标和球坐标是解决三维空间中点位置描述问题的有力工具，它们为研究人员和工程师提供了更多的选择和便利。

通过深入理解柱坐标和球坐标的原理和转换关系，可以更好地应用它们解决实际问题。

极径、极角,只是比平面极坐标多了一个量,即点在空间中的高度. -15-
四 柱坐标系与球坐标系简介
目标导航
Z Z D 知识梳理 HISHISHULI
重难聚焦
HONGNANJUJIAO
典例透析
IANLITOUXI
题型一 题型二 题型三 题型四 题型五
【变式训练3】 经过若干个固定和流动的地面遥感观测站监测
重难聚焦
HONGNANJUJIAO
典例透析
IANLITOUXI
2.球坐标系 (1)定义:建立空间直角坐标系Oxyz.设P是空间任意一点,连接OP, 记|OP|=r,OP与Oz轴正向所夹的角为φ.设点P在Oxy平面上的射影 为点Q,Ox轴按逆时针方向旋转到OQ时所转过的最小正角为θ.这样 点P的位置就可以用有序数组(r,φ,θ)表示.这样,空间的点与有序数 组(r,φ,θ)之间建立了一种对应关系,把建立上述对应关系的坐标系 叫做球坐标系(或空间极坐标系),有序数组(r,φ,θ)叫做点P的球坐标, 记作P(r,φ,θ),其中r≥0,0≤φ≤π,0≤θ<2π. (2)空间点P的直角坐标(x,y,z)与球坐标(r,φ,θ)之间的变换关系
的极坐标.这时点P的位置可用有序数组(ρ,θ,z)(z∈R)表示.这样,我
们建立了空间的点与有序数组(ρ,θ,z)之间的一种对应关系.把建立
上述对应关系的坐标系叫做柱坐标系,有序数组(ρ,θ,z)叫做点P的柱
坐标,记作P(ρ,θ,z),其中ρ≥0,0≤θ<2π,-∞<z<+∞.
(2)空间点P的直角坐标(x,y,z)与柱坐标(ρ,θ,z)之间的变换公式
3
解:设点 M 的直角坐标为(x,y,z),则由互化公式可得,

柱坐标与球坐标转换在三维几何学中，坐标系扮演着十分重要的角色。

柱坐标系和球坐标系是常用的坐标系之一，它们分别适用于不同的几何描述需求。

本文将介绍柱坐标与球坐标之间的转换关系。

柱坐标系（Cylindrical Coordinates）柱坐标系是一种以某一点为起点的坐标系，其中包含r、$\\theta$和z三个坐标参数。

其中，r代表点到z轴的距离，$\\theta$代表点在x−y平面上与x轴正方向之间的夹角，而z表示点在z轴上的高度。

柱坐标系通常用于描述圆柱体或柱体上的几何特征。

球坐标系（Spherical Coordinates）球坐标系是另一种常用的三维坐标系，以球心为原点。

球坐标系中包含r、$\\theta$和$\\phi$三个坐标参数。

其中，r表示点到原点的距离，$\\theta$表示点在x−y平面上与x轴正方向的夹角，$\\phi$表示点在球坐标系中与z轴之间的夹角。

球坐标系通常用于描述球体或球面上的几何特征。

柱坐标与球坐标转换柱坐标系与球坐标系之间存在一定的转换关系，通过以下公式可以进行相互转换：1.球坐标系转换为柱坐标系：$r = \\sqrt{r^2 + z^2}$$\\theta = arctan(r/z)$z=z2.柱坐标系转换为球坐标系：r=r$\\theta = \\theta$$\\phi = arctan(\\sqrt{r^2 + z^2}/z)$通过以上的转换关系，我们可以方便地在柱坐标系和球坐标系之间进行切换，从而更灵活地描述不同几何形状的特征和属性。

这种转换关系在数学建模和物理问题求解中有着广泛的应用。

上文介绍了柱坐标与球坐标之间的转换关系，希望可以为读者对三维空间坐标系的理解提供一定帮助。

在实际问题中，根据具体情况选择合适的坐标系描述方式，并灵活运用坐标系转换方法，将有助于更好地分析和解决问题。

以上就是本文关于柱坐标与球坐标转换的介绍，希望对读者有所帮助。

球坐标系和柱坐标系球坐标系和柱坐标系是空间解析几何中常用的坐标系，它们可以用来描述三维空间中的点的位置和方向。

本文将介绍球坐标系和柱坐标系的定义、坐标变换以及其在不同领域的应用。

一、球坐标系球坐标系是一种三维坐标系，用来描述三维空间中的点的位置。

它由径向距离r、极角θ和方位角φ来确定一个点的坐标。

径向距离r表示点到坐标原点的距离，极角θ表示点与正z轴的夹角，方位角φ表示点在x-y平面上投影与正x轴的夹角。

在球坐标系中，一个点的坐标可以表示为(r,θ,φ)。

坐标变换公式如下：```x = r * sinθ * cosφy = r * sinθ * sinφz = r * cosθ```球坐标系常见于物理学、天文学和计算机图形学等领域的问题求解。

物理学中常用球坐标系描述粒子在空间中的位置和动量，能够简化很多问题的求解过程。

在天文学中，球坐标系可以用来描述星体的位置和运动轨迹。

二、柱坐标系柱坐标系是另一种常见的三维坐标系，适用于平面内与柱面有关的问题。

柱坐标系由极径ρ、极角θ和高度z来确定一个点的坐标。

极径ρ表示点到z轴的距离，极角θ表示点在x-y平面上的投影与正x轴的夹角，高度z表示点在z轴上的坐标。

柱坐标系中，一个点的坐标可以表示为(ρ,θ,z)。

坐标变换公式如下：```x = ρ * cosθy = ρ * sinθz = z```柱坐标系常见于物理学、工程学和流体力学等领域的问题求解。

在工程学中，柱坐标系常用于描述圆柱形结构的变形和应力分布，能够更直观地理解和解决与柱面相关的工程问题。

在流体力学中，柱坐标系可以用来描述圆柱形容器中的流体流动规律。

综上所述，球坐标系和柱坐标系是在三维空间中描述点的位置和方向的常用坐标系。

它们各自具有独特的特点和应用场景，在不同领域的问题求解中发挥着重要作用。

熟练掌握球坐标系和柱坐标系的定义和坐标变换公式，对于解决相关问题具有重要意义。

z1＝6×cosπ3＝3. ∴点 M 的直角坐标为323，92，3， 设点 N 的直角坐标为(x2，y2，z2)， 则 x2＝6×sin23π×cosπ3＝323， y2＝6sin23π×sinπ3＝92， z2＝6cos23π＝－3. ∴点 N 的直角坐标为323，92，－3， ∴|MN|＝ x1－x22＋y1－y22＋z1－z22＝6.
2．点的空间坐标的互相转化公式 设空间一点 P 的直角坐标为(x，y，z)，柱坐标为(ρ，θ，z)，球坐标为(r，φ，θ)，则
空间直角坐标(x，y，z)
转换公式
柱坐标 (ρ，θ，z)
x＝_ρ_c_o_s_θ__， y＝_ρ_s_in__θ__， z＝z
球坐标 (r，φ，θ)
x＝_r_s_i_n_φ_c_o_s__θ__ y＝_r_s_in__φ_s_i_n_θ__ z＝ rcos φ
∴(－ 3，1,3)为所求点的直角坐标．
(2)∵(ρ，θ，z)＝
2，π4，5，
x＝ρcos θ＝
2cosπ4＝1，
∴y＝ρsin θ＝ 2sinπ4＝1，
z＝5，
∴(1,1,5)为所求点的直角坐标．
直角坐标与柱坐标的互化
点(ρ，θ，z)是三维空间坐标中的点的柱坐标，在平面 xOy 中实际为极坐标， 且 ρ≥0,0≤θ＜2π，在竖直方向上 z 为任意实数．化点的柱坐标(ρ，θ，z)为直
柱坐标系与球坐标系简介
1．空间直角坐标系、柱坐标系与球坐标系 (1)空间直角坐标系：在空间选定一点 O，作两两垂直的三条数轴 Ox， Oy，Oz，使∠xOy＝135°，∠yOz＝90°，这就是空间直角坐标系．有 序实数组 (x，y，z) 叫点 P 的直角坐标．
(2)柱坐标系：空间直角坐标系 Oxyz 中，设 P 是空间任意一点，它在 Oxy 平面的射影为 Q，用 (ρ，θ) 表示点 Q 在平面 Oxy 上的极坐标，点 P 的位置可用有序数组 (ρ，θ，z) 表示．这就是柱坐标系．有序数组 _(_ρ_，__θ_，__z_) _叫点 P 的柱坐标．其中 ρ≥0,0≤θ<2π，－∞<z<＋∞. (3)球坐标系：空间直角坐标系 Oxyz 中，设 P 是空间任意一点，连接 OP，记|OP|＝r，OP 与 Oz 轴正向所夹的角为 φ.P 在 Oxy 平面的射影 为 Q，Ox 轴按逆时针方向旋转到 OQ 时所转过的最小正角为 θ.这样 点 P 的位置就可以用有序数组(r，φ，θ)表示．这就是球坐标系．有序数组(r，φ，θ) 叫作点 P 的球坐标．其中 r≥0,0≤φ≤π，0≤θ<2π.

4.1.3球坐标系与柱坐标系1．球坐标系、柱坐标系的理解．2．球坐标、柱坐标与直角坐标的互化．[基础·初探]1．球坐标系与球坐标(1)在空间任取一点O作为极点，从O点引两条互相垂直的射线Ox和Oz作为极轴，再规定一个长度单位和射线Ox绕Oz轴旋转所成的角的正方向，这样就建立了一个球坐标系．图4-1-5(2)设P是空间一点，用r表示OP的长度，θ表示以Oz为始边，OP为终边的角，φ表示半平面xOz到半平面POz的角，则有序数组(r，θ，φ)就叫做点P 的球坐标，其中r≥0,0≤θ≤π，0≤φ＜2π.2．直角坐标与球坐标间的关系图4-1-6若空间直角坐标系的原点O，Ox轴及Oz轴，分别与球坐标系的极点、Ox 轴及Oz轴重合，就可以得到空间中同一点P的直角坐标(x，y，z)与球坐标(r，θ，φ)之间的关系，如图4-1-6所示．x 2＋y 2＋z 2＝r 2， x ＝r sin_θcos_φ， y ＝r sin_θsin_φ， z ＝r cos_θ. 3．柱坐标系建立了空间直角坐标系O -xyz 后，设P 为空间中任意一点，它在xOy 平面上的射影为Q ，用极坐标(ρ，θ)(ρ≥0,0≤θ＜2π)表示点Q 在平面xOy 上的极坐标，这时点P 的位置可以用有序数组(ρ，θ，z )(z ∈R )表示，把建立上述对应关系的坐标系叫柱坐标系，有序数组(ρ，θ，z )叫做点P 的柱坐标，记作P (ρ，θ，z )，其中ρ≥0,0≤θ＜2π，z ∈R .图4-1-74．直角坐标与柱坐标之间的关系⎩⎨⎧x ＝ρcos θ，y ＝ρsin θ，z ＝z .[思考·探究]1．空间直角坐标系和柱坐标系、球坐标系有何联系和区别？【提示】 柱坐标系和球坐标系都是以空间直角坐标系为背景，柱坐标系中一点在平面xOy 内的坐标是极坐标，竖坐标和空间直角坐标系的竖坐标相同；球坐标系中，则以一点到原点的距离和两个角(高低角、极角)刻画点的位置．空间直角坐标系和柱坐标系、球坐标系都是空间坐标系，空间点的坐标都是由三个数值的有序数组组成．2．在空间的柱坐标系中，方程ρ＝ρ0(ρ0为不等于0的常数)，θ＝θ0，z ＝z 0分别表示什么图形？【提示】 在极坐标中，方程ρ＝ρ0(ρ0为不等于0的常数)表示圆心在极点，半径为ρ0的圆，方程θ＝θ0(θ0为常数)表示与极轴成θ0角的射线．而在空间的柱坐标系中，方程ρ＝ρ0表示中心轴为z 轴，底半径为ρ0的圆柱面，它是上述圆周沿z 轴方向平行移动而成的．方程θ＝θ0表示与zOx 坐标面成θ0角的半平面．方程z ＝z 0表示平行于xOy 坐标面的平面，如图所示．常把上述的圆柱面、半平面和平面称为柱坐标系的三族坐标面．[质疑·手记]预习完成后，请将你的疑问记录，并与“小伙伴们”探讨交流： 疑问1：_____________________________________________________ 解惑：_____________________________________________________ 疑问2：_____________________________________________________ 解惑：_____________________________________________________(1)已知点M 的球坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫2，3π4，3π4，则点M 的直角坐标为________．(2)设点M 的柱坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π6，7，则点M 的直角坐标为________．【自主解答】 (1)设M (x ，y ，z )， 则x ＝2sin 3π4·cos 3π4＝－1，y ＝2×sin 3π4×sin 3π4＝1， z ＝2×cos 3π4＝－ 2.即M 点坐标为(－1,1，－2)． (2)设M (x ，y ，z )， 则x ＝2×cos π6＝3， y ＝2×sin π6＝1，z ＝7. 即M 点坐标为(3，1,7)．【答案】 (1)(－1,1，－2) (2)(3，1,7) [再练一题]1．(1)已知点P 的柱坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫4，π3，8，则它的直角坐标为________．(2)已知点P 的球坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫4，3π4，π4，则它的直角坐标为________．【解析】 (1)由变换公式得： x ＝4cos π3＝2， y ＝4sin π3＝23，z ＝8.∴点P 的直角坐标为(2,23，8)． (2)由变换公式得：x ＝r sin θcos φ＝4sin 3π4cos π4＝2， y ＝r sin θsin φ＝4sin 3π4sin π4＝2， z ＝r cos θ＝4cos 3π4＝－2 2. ∴它的直角坐标为(2,2，－22)．【答案】 (1)(2,23，8) (2)(2,2，－22)已知正方体ABCD -A 1B 1C 1D 1的棱长为1，如图4-1-8建立空间直角坐标系A —xyz ，Ax 为极轴，求点C 1的直角坐标、柱坐标以及球坐标．图4-1-8【思路探究】 解答本题根据空间直角坐标系、柱坐标系以及球坐标系的意义和联系计算即可．【自主解答】 点C 1的直角坐标为(1,1,1)， 设点C 1的柱坐标为(ρ，θ，z )，球坐标为(r ，φ，θ)， 其中ρ≥0，r ≥0,0≤φ≤π，0≤θ＜2π， 由公式⎩⎪⎨⎪⎧ x ＝ρcos θ，y ＝ρsin θ，z ＝z及⎩⎪⎨⎪⎧x ＝r sin φcos θ，y ＝r sin φsin θ，z ＝r cos φ得⎩⎨⎧ρ＝x 2＋y 2，tan θ＝yx (x ≠0)及⎩⎨⎧r ＝x 2＋y 2＋z 2，cos φ＝zr ，得⎩⎪⎨⎪⎧ρ＝2，tan θ＝1及⎩⎨⎧r ＝3，cos φ＝33，结合图形得θ＝π4，由cos φ＝33得tan φ＝ 2.∴点C 1的直角坐标为(1,1,1)，柱坐标为(2，π4，1)，球坐标为(3，φ，π4)， 其中tan φ＝2，0≤φ≤π.化点M 的直角坐标(x ，y ，z )为柱坐标(ρ，θ，z )或球坐标(r ，θ，φ)，需要对公式⎩⎨⎧x ＝ρcos θ，y ＝ρsin θ，z ＝z以及⎩⎨⎧x ＝r sin θcos φ，y ＝r sin θsin φ，z ＝r cos θ进行逆向变换，得到⎩⎪⎨⎪⎧ρ＝x 2＋y 2，tan θ＝yx(x ≠0)，z ＝z以及⎩⎪⎨⎪⎧r ＝x 2＋y 2＋z 2，tan φ＝y x (x ≠0)，cos θ＝zr .提醒 在由三角函数值求角时，要先结合图形确定角的范围再求值．[再练一题]2．(1)设点M 的直角坐标为(1,1,1)，求它在柱坐标系中的坐标． (2)设点M 的直角坐标为(1,1，2)，求它的球坐标．【导学号：98990006】【解】(1)设M 的柱坐标为(ρ，θ，z )，则有⎩⎪⎨⎪⎧1＝ρcos θ，1＝ρsin θ，z ＝1，解之得ρ＝2，θ＝π4.因此，点M 的柱坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π4，1.(2)由坐标变换公式，可得 r ＝x 2＋y 2＋z 2＝12＋12＋(2)2＝2.由r cos θ＝z ＝2， 得cos θ＝2r ＝22，θ＝π4.又tan φ＝y x ＝1，φ＝π4(M 在第一象限)， 从而知M 点的球坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π4，π4. [真题链接赏析](教材第17页习题4.1第16题)建立适当的球坐标系或柱坐标系表示棱长为3的正四面体的四个顶点．结晶体的基本单位称为晶胞，如图4-1-9(1)是食盐晶胞的示意图(可看成是八个棱长为12的小正方体堆积成的正方体)．图形中的点代表钠原子，如图4-1-9(2)，建立空间直角坐标系O -xyz 后，试写出下层钠原子所在位置的球坐标、柱坐标．(1) (2)图4-1-9【命题意图】 本题以食盐晶胞为载体，主要考查柱坐标系及球坐标系在确定空间点的位置中的应用．【解】 下层的原子全部在xOy 平面上，它们所在位置的竖坐标全是0，所以这五个钠原子所在位置的球坐标分别为(0,0,0)，⎝ ⎛⎭⎪⎫1，π2，0，⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π2，π4，⎝ ⎛⎭⎪⎫1，π2，π2，⎝ ⎛⎭⎪⎫22，π2，π4； 它们的柱坐标分别为(0,0,0)，(1,0,0)，⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π4，0，⎝ ⎛⎭⎪⎫1，π2，0，⎝ ⎛⎭⎪⎫22，π4，0.1．已知点A 的柱坐标为(1,0,1)，则点A 的直角坐标为________． 【解析】 由点A 的柱坐标为(1,0,1)知，ρ＝1，θ＝0，z ＝1，故x ＝ρcos θ＝1，y ＝ρsin θ＝0，z ＝1，所以直角坐标为(1,0,1)．【答案】 (1,0,1)2．设点M 的直角坐标为(－1，－1，2)，则它的球坐标为________． 【解析】 由坐标变换公式，r ＝x 2＋y 2＋z 2＝2.cos θ＝z r ＝22，θ＝π4.∵tan φ＝yx ＝1， ∴φ＝54π.故M 的球坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π4，5π4.【答案】 ⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π4，5π43．已知点P 的柱坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫2，π4，5，点B 的球坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫6，π3，π6，这两个点在空间直角坐标系中点的坐标分别为________．【导学号：98990007】【解析】 设P (x ，y ，z )，则x ＝2cos π4＝1， y ＝2sin π4＝1，z ＝5，∴P (1,1,5)．设B (x ，y ，z )，则x ＝6sin π3cos π6＝6×32×32＝364，y ＝6sin π3sin π6＝6×32×12＝324，z ＝6·cos π3＝6×12＝62. 故B (364，324，62)．【答案】 P (1,1,5)，B (364，324，62)4．把A (4，π6，2)、B (3，π4，－2)两点的柱坐标化为直角坐标，则两点间的距离为________．【解析】 点A 化为直角坐标为A (23，2,2)，点B 化为直角坐标为B ⎝ ⎛⎭⎪⎫322，322，－2. AB 2＝⎝ ⎛⎭⎪⎫23－3222＋⎝ ⎛⎭⎪⎫2－3222＋(2＋2)2＝12＋92－66＋4＋92－62＋16＝41－6(6＋2)．所以AB ＝41－6(6＋2). 【答案】41－6(6＋2)我还有这些不足：(1)_____________________________________________________ (2)_____________________________________________________ 我的课下提升方案：(1)_____________________________________________________ (2)_____________________________________________________。