基本量大学の物理で出てくる

立体角の単位はなぜ無次元?意味と仕組み

1(無次元)
次元 [無次元]
このページでわかること
  • 立体角を言葉でどう言い表すか
  • その言葉を単位に置き換えると、なぜ単位が消えるのか
  • sr のいろいろな書き方と、その根拠になる公式

立体角とは? 言葉で意味をつかむ

立体角とは 球面上の面積が、半径の2乗の何倍か。

言葉の式
立体角 = 球面上の面積 ÷ (半径)²

言葉の式に出てくるそれぞれの言葉は、すでに単位がわかっている量です。言葉を単位に置き換えてみましょう。

言葉何の量か単位
球面上の面積面積m2
半径長さm
[立体角] =m2÷m2
   =1
単位どうしが打ち消しあって何も残りません。だから「次元をもたない量」なのです。

基本単位までたどる

言葉の式に出てきた量も、さらに言葉の式で分解できます。面積 → 立体角 の順にたどると、すべて基本単位(m・kg・s・A・K・mol・cd)だけで表せます。

面積は長さ×長さなので m² です。

[S] =m2

立体角は「球面上の面積 ÷ 半径の2乗」。m² を m² で割るので、sr も次元をもちません。

[Ω] =m2÷m2=1=sr

sr の別の書き方

同じ量でも、使う公式によって単位の見え方が変わります。どれも基本単位にすると一致します。

書き方根拠になる公式
sr=lmcd光束と光度
Φv=IvΩ

立体角が出てくる公式

まとめ
  • 立体角とは、球面上の面積が、半径の2乗の何倍か。
  • 言葉の式 立体角 = 球面上の面積 ÷ (半径)² を単位に置き換えると 1。

練習問題:分子と分母を見きわめる

問題文には単位が書いてあります。計算はしなくてかまいません。どの単位が分子(上)に、どの単位が分母(下)に来るかだけを考えて選んでください。

問1立体角は「球面上の面積 ÷ (半径)²」で求められます。「球面上の面積」[m2]、「半径」[m] のとき、立体角の単位はどれ?

答えと解説

正解:C m2m2

かける量(球面上の面積)の単位が分子、割る量(半径)の単位が分母に来ます。まとめると m2m2 = 1 = sr。

問2光束と光度 Φv=IvΩ を使います。Φv 「光束」[lm]、Iv 「光度」[cd] のとき、立体角 Ω の単位はどれ?

答えと解説

正解:C lmcd

式を Ω について解くと Ω=ΦvIv。分子・分母にそれぞれの単位を入れると lmcd = sr。

問3立体角 = 球面上の面積 ÷ (半径)² です。「立体角」[sr]、「半径」[m] のとき、「球面上の面積」の単位はどれ?

答えと解説

正解:B sr·m2

言葉の式を「球面上の面積」について解き直すと「球面上の面積 = 立体角 × (半径)²」。単位を入れると sr·m2 = m2。