角度轉換器
角度 — 從度到微角秒
掌握數學、天文學、導航和工程中的角度單位。從度到弧度,從角分到密位,理解旋轉以及這些數字在實際應用中的意義。
角度基礎
什麼是角度?
角度測量兩條線之間的旋轉或轉動。想像一下開門或轉動輪子。以度 (°)、弧度 (rad) 或梯度為單位測量。360° = 完整圓周 = 一次完整旋轉。
- 角度 = 旋轉量
- 完整圓周 = 360° = 2π rad
- 直角 = 90° = π/2 rad
- 直線 = 180° = π rad
度 vs 弧度
度:將圓周分為 360 份(歷史原因)。弧度:基於圓的半徑。2π 弧度 = 360°。弧度在數學/物理學中是「自然」的。π rad = 180°,所以 1 rad ≈ 57.3°。
- 360° = 2π rad (完整圓周)
- 180° = π rad (半圓)
- 90° = π/2 rad (直角)
- 1 rad ≈ 57.2958° (轉換)
其他角度單位
梯度:100 grad = 90° (公制角度)。角分/角秒:度的細分單位(天文學)。密位:軍事導航(6400 密位 = 圓周)。每種單位都有特定應用。
- 梯度:400 grad = 圓周
- 角分:1′ = 1/60°
- 角秒:1″ = 1/3600°
- 密位 (NATO):6400 mil = 圓周
- 完整圓周 = 360° = 2π rad = 400 grad
- π rad = 180° (半圓)
- 1 rad ≈ 57.3°,1° ≈ 0.01745 rad
- 弧度是微積分/物理學的自然單位
單位系統詳解
度數系統
每圈 360°(源於巴比倫 - 約 360 天/年)。細分:1° = 60′ (角分) = 3600″ (角秒)。普遍用於導航、測量和日常使用。
- 360° = 完整圓周
- 1° = 60 角分 (′)
- 1′ = 60 角秒 (″)
- 對人類友好,具歷史性
弧度系統
弧度:弧長 = 半徑。2π rad = 圓周長/半徑。是微積分(sin, cos 導數)的自然單位。物理學、工程學標準。π rad = 180°。
- 2π rad = 360° (精確值)
- π rad = 180°
- 1 rad ≈ 57.2958°
- 數學/物理學的自然單位
梯度與軍用系統
梯度:400 grad = 圓周(公制角度)。100 grad = 直角。密位:軍事導航 - 北約使用 6400 密位。蘇聯使用 6000。存在不同標準。
- 400 grad = 360°
- 100 grad = 90° (直角)
- 密位 (NATO):每圈 6400
- 密位 (USSR):每圈 6000
角度的數學
關鍵轉換
rad = deg × π/180。deg = rad × 180/π。grad = deg × 10/9。在微積分中務必使用弧度!三角函數的導數需要弧度。
- rad = deg × (π/180)
- deg = rad × (180/π)
- grad = deg × (10/9)
- 微積分需要弧度
三角學
sin, cos, tan 將角度與比率聯繫起來。單位圓:半徑=1,角度=θ。點坐標:(cos θ, sin θ)。對物理學、工程學、圖形學至關重要。
- sin θ = 對邊/斜邊
- cos θ = 鄰邊/斜邊
- tan θ = 對邊/鄰邊
- 單位圓:(cos θ, sin θ)
角度加法
角度正常加減。45° + 45° = 90°。完整旋轉:加/減 360° (或 2π)。使用模運算進行循環計算:370° = 10°。
- θ₁ + θ₂ (正常加法)
- 循環:θ mod 360°
- 370° ≡ 10° (mod 360°)
- 負角度:-90° = 270°
常用角度
| 角度 | 度 | 弧度 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 零 | 0° | 0 rad | 無旋轉 |
| 銳角 | 30° | π/6 | 正三角形 |
| 銳角 | 45° | π/4 | 半個直角 |
| 銳角 | 60° | π/3 | 正三角形 |
| 直角 | 90° | π/2 | 垂直,四分之一轉 |
| 鈍角 | 120° | 2π/3 | 六邊形內角 |
| 鈍角 | 135° | 3π/4 | 八邊形外角 |
| 平角 | 180° | π | 半圓,直線 |
| 優角 | 270° | 3π/2 | 四分之三轉 |
| 周角 | 360° | 2π | 完整旋轉 |
| 角秒 | 1″ | 4.85 µrad | 天文學精度 |
| 毫角秒 | 0.001″ | 4.85 nrad | 哈勃望遠鏡解析度 |
| 微角秒 | 0.000001″ | 4.85 prad | 蓋亞衛星 |
角度等值表
| 描述 | 度 | 弧度 | 梯度 |
|---|---|---|---|
| 完整圓周 | 360° | 2π ≈ 6.283 | 400 grad |
| 半圓 | 180° | π ≈ 3.142 | 200 grad |
| 直角 | 90° | π/2 ≈ 1.571 | 100 grad |
| 一弧度 | ≈ 57.296° | 1 rad | ≈ 63.662 grad |
| 一度 | 1° | ≈ 0.01745 rad | ≈ 1.111 grad |
| 一梯度 | 0.9° | ≈ 0.01571 rad | 1 grad |
| 角分 | 1/60° | ≈ 0.000291 rad | 1/54 grad |
| 角秒 | 1/3600° | ≈ 0.00000485 rad | 1/3240 grad |
| 北約密位 | 0.05625° | ≈ 0.000982 rad | 0.0625 grad |
實際應用
導航
羅盤方位:0°=北,90°=東,180°=南,270°=西。軍事上使用密位以求精確。羅盤有 32 個方位點(每個 11.25°)。GPS 使用十進制度數。
- 方位:從北方起 0-360°
- 北約密位:每圈 6400
- 羅盤方位點:32 個 (每個 11.25°)
- GPS:十進制度數
天文學
恆星位置:角秒級精度。視差:毫角秒。哈勃望遠鏡:約 50 mas 解析度。蓋亞衛星:微角秒級精度。時角:24h = 360°。
- 角秒:恆星位置
- 毫角秒:視差、VLBI
- 微角秒:蓋亞衛星
- 時角:15°/小時
工程與測量
坡度:百分比等級或角度。10% 等級 ≈ 5.7°。道路設計使用百分比。測量使用度/分/秒。公制國家使用梯度系統。
- 坡度:% 或度
- 10% ≈ 5.7° (arctan 0.1)
- 測量:DMS (度-分-秒)
- 梯度:公制測量
快速數學
度 ↔ 弧度
rad = deg × π/180。deg = rad × 180/π。快速法:180° = π rad,所以用此比例進行乘除。
- rad = deg × 0.01745
- deg = rad × 57.2958
- π rad = 180° (精確值)
- 2π rad = 360° (精確值)
坡度轉角度
角度 = arctan(坡度/100)。10% 坡度 = arctan(0.1) ≈ 5.71°。反向:坡度 = tan(角度) × 100。
- θ = arctan(坡度等級/100)
- 10% → arctan(0.1) = 5.71°
- 45° → tan(45°) = 100%
- 陡峭:100% = 45°
角分
1° = 60′ (角分)。1′ = 60″ (角秒)。總計:1° = 3600″。用於精確計算的快速細分。
- 1° = 60 角分
- 1′ = 60 角秒
- 1° = 3600 角秒
- DMS:度-分-秒
轉換原理
- 步驟 1:來源 → 度
- 步驟 2:度 → 目標
- 弧度:deg × (π/180)
- 坡度:arctan(坡度等級/100)
- 角分:deg × 60
常用轉換
| 從 | 到 | 公式 | 範例 |
|---|---|---|---|
| 度 | 弧度 | × π/180 | 90° = π/2 rad |
| 弧度 | 度 | × 180/π | π rad = 180° |
| 度 | 梯度 | × 10/9 | 90° = 100 grad |
| 度 | 角分 | × 60 | 1° = 60′ |
| 角分 | 角秒 | × 60 | 1′ = 60″ |
| 度 | 轉 | ÷ 360 | 180° = 0.5 轉 |
| % 坡度 | 度 | arctan(x/100) | 10% ≈ 5.71° |
| 度 | 密位 (NATO) | × 17.778 | 1° ≈ 17.78 mil |
快速範例
計算題詳解
道路坡度
道路坡度為 8%。角度是多少?
θ = arctan(8/100) = arctan(0.08) ≈ 4.57°。相對平緩的坡度!
羅盤方位
以 135° 方位航行。這是哪個羅盤方向?
0°=北,90°=東,180°=南,270°=西。135° 介於東 (90°) 和南 (180°) 之間。方向:東南 (SE)。
恆星位置
一顆恆星移動了 0.5 角秒。這等於多少度?
1″ = 1/3600°。所以 0.5″ = 0.5/3600 = 0.000139°。極微小的移動!
常見錯誤
- **弧度模式**:使用弧度時計算機處於度數模式 = 錯誤!檢查模式。在度數模式下的 sin(π) ≠ 在弧度模式下的 sin(π)。
- **π 的近似值**:π ≠ 3.14 精確值。使用 π 按鈕或 Math.PI。180° = π rad 精確值,不是 3.14 rad。
- **負角度**:-90° ≠ 無效!負數 = 順時針。-90° = 270°(從 0° 順時針方向)。
- **坡度混淆**:10% 坡度 ≠ 10°!必須使用反正切。10% ≈ 5.71°,而不是 10°。常見錯誤!
- **角分 ≠ 時間分鐘**:1′ (角分) = 1/60°。1 min (時間分鐘) = 不同!不要混淆。
- **完整旋轉**:360° = 0°(相同位置)。角度是循環的。370° = 10°。
有趣的事實
為什麼是 360 度?
巴比倫人使用 60 進位制(六十進制)系統。360 有很多因數(24 個!)。約等於一年 360 天。方便於天文學和計時。它也能被 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12... 整除。
弧度是自然的
弧度由弧長 = 半徑定義。這使得微積分變得優美:d/dx(sin x) = cos x(僅在弧度中成立!)。在度數中,d/dx(sin x) = (π/180)cos x(很亂)。大自然「使用」弧度!
梯度差點普及
公制角度:100 grad = 直角。在法國大革命期間隨公制系統一起嘗試推行。從未流行——度數太根深蒂固。在某些測量領域仍在使用(瑞士、北歐)。計算機上有 'grad' 模式!
毫角秒 = 人類頭髮
1 毫角秒 ≈ 從 10 公里外看一根人類頭髮的寬度!哈勃太空望遠鏡可以分辨約 50 mas。天文學的驚人精度。用於測量恆星視差、雙星。
炮兵用的密位
軍用密位:1 密位 ≈ 1 公里距離處的 1 米寬度(北約:1.02 米,足夠接近)。便於心算估計距離。不同國家使用不同的密位(每圈 6000、6300、6400)。實用的彈道學單位!
直角 = 90°,為什麼?
90 = 360/4(四分之一轉)。但「直」來自拉丁語 'rectus' = 挺直、筆直。直角構成垂直線。對建築至關重要——建築物需要直角才能站立!
角度測量的演變
從古巴比倫天文學到現代衛星精度,角度測量已從實用的計時演變為微積分和量子力學的基礎。儘管弧度具有數學上的優雅,但這個有 4000 年歷史的 360 度圓周慣例仍然佔主導地位。
西元前 2000 年 - 西元前 300 年
巴比倫人使用六十進制(以 60 為基數)數字系統進行天文學和計時。他們將圓周分為 360 份,因為 360 ≈ 一年的天數(實際上是 365.25 天),而且 360 有 24 個因數——對於分數計算非常方便。
這個以 60 為基數的系統至今仍然存在:每分鐘 60 秒,每小時和每度 60 分。數字 360 的因式分解為 2³ × 3² × 5,可被 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 45, 60, 72, 90, 120, 180 整除——簡直是計算機的夢想!
- 西元前 2000 年:巴比倫天文學家以度為單位追蹤天體位置
- 選擇 360° 是因為其可除性和對年份的近似
- 60 進位制給我們帶來了小時(24 = 360/15)和分/秒
- 希臘天文學家從巴比倫的星表中採用了 360°
西元前 300 年 - 西元 1600 年
歐幾里得的《幾何原本》(西元前 300 年)正式化了角度幾何學——直角 (90°)、餘角(和為 90°)、補角(和為 180°)。像喜帕恰斯這樣的希臘數學家使用以度為基礎的表格創建了三角學,用於天文學和測量。
中世紀的航海家使用星盤和帶有 32 個方位點(每個 11.25°)的羅盤。海員需要精確的方位;角分 (1/60°) 和角秒 (1/3600°) 應運而生,用於星表和航海圖。
- 西元前 300 年:歐幾里得的《幾何原本》定義了幾何角度
- 西元前 150 年:喜帕恰斯創建了第一批三角函數表(度)
- 1200 年代:星盤使用度數標記進行天體導航
- 1569 年:麥卡托地圖投影需要保持角度不變的數學
1600 年代 - 1800 年代
當牛頓和萊布尼茲發展微積分時(1670 年代),度數變得麻煩:以度計算 d/dx(sin x) = (π/180)cos x——一個醜陋的常數!羅傑·科茨 (1682-1716) 和萊昂哈德·歐拉正式化了弧度:角度 = 弧長 / 半徑。現在 d/dx(sin x) = cos x,非常優美。
詹姆斯·湯姆森在 1873 年創造了「弧度」(radian) 一詞(源自拉丁語 'radius')。弧度成為了數學分析、物理學和工程學的標準單位。然而,度數在日常生活中仍然存在,因為人們更喜歡整數而不是 π。
- 1670 年代:微積分揭示度數會產生混亂的公式
- 1714 年:羅傑·科茨發展了「圓測量」(弧度的前身)
- 1748 年:歐拉在分析中廣泛使用弧度
- 1873 年:湯姆森將其命名為「弧度」;成為數學標準
1900 年代 - 至今
第一次世界大戰的炮兵需要實用的角度單位:密位誕生了——1 密位 ≈ 1 公里距離處 1 米的偏差。北約標準化為 6400 密位/圈(一個很好的 2 的冪),而蘇聯使用 6000(便於十進制計算)。真正的毫弧度 = 6283/圈。
太空時代的天文學達到了毫角秒的精度(依巴谷衛星,1989 年),然後是微角秒(蓋亞衛星,2013 年)。蓋亞衛星測量恆星視差的精度為 20 微角秒——相當於從 1000 公里外看到一根人類頭髮!現代物理學普遍使用弧度;只有導航和建築仍然偏愛度數。
- 1916 年:軍事炮兵採用密位進行距離計算
- 1960 年:國際單位制 (SI) 承認弧度為相干導出單位
- 1989 年:依巴谷衛星:約 1 毫角秒精度
- 2013 年:蓋亞衛星:20 微角秒精度——繪製 10 億顆恆星的地圖
專業提示
- **快速弧度**:π rad = 180°。半個圓!所以 π/2 = 90°,π/4 = 45°。
- **坡度心算**:小坡度:坡度% ≈ 角度° × 1.75。(10% ≈ 5.7°)
- **角分**:1° = 60′。手臂伸直時,你的拇指寬度約為 2° ≈ 120′。
- **負數 = 順時針**:正角度為逆時針。-90° = 順時針 270°。
- **模循環**:自由加/減 360°。370° = 10°,-90° = 270°。
- **單位圓**:cos = x,sin = y。半徑 = 1。三角學的基礎!
- **自動科學記數法**:小於 0.000001° 或大於 1,000,000,000° 的值會以科學記數法顯示,以提高可讀性(對微角秒至關重要!)。
單位參考
常用單位
| 單位 | 符號 | 度 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 度 | ° | 1° (base) | 基本單位;360° = 圓周。通用標準。 |
| 弧度 | rad | 57.2958° | 自然單位;2π rad = 圓周。微積分所需。 |
| 梯度 (gon) | grad | 900.000000 m° | 公制角度;400 grad = 圓周。測量(歐洲)。 |
| 轉 (圈) | turn | 360.0000° | 完整旋轉;1 轉 = 360°。簡單概念。 |
| 圈 | rev | 360.0000° | 與「轉」相同;1 轉 = 360°。機械用。 |
| 圓 | circle | 360.0000° | 完整旋轉;1 圓周 = 360°。 |
| 直角 (象限) | ∟ | 90.0000° | 四分之一轉;90°。垂直線。 |
角分與角秒
| 單位 | 符號 | 度 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 角分 | ′ | 16.666667 m° | 角分;1′ = 1/60°。天文學、導航。 |
| 角秒 | ″ | 277.777778 µ° | 角秒;1″ = 1/3600°。精密天文學。 |
| 毫角秒 | mas | 2.778e-7° | 0.001″。哈勃望遠鏡精度(約 50 mas 解析度)。 |
| 微角秒 | µas | 2.778e-10° | 0.000001″。蓋亞衛星精度。超高精度。 |
導航與軍事
| 單位 | 符號 | 度 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 點 (羅盤) | point | 11.2500° | 32 個方位點;1 點 = 11.25°。傳統導航。 |
| 密位 (北約) | mil | 56.250000 m° | 每圈 6400;1 密位 ≈ 1 公里處 1 米。軍事標準。 |
| 密位 (蘇聯) | mil USSR | 60.000000 m° | 每圈 6000。俄羅斯/蘇聯軍事標準。 |
| 密位 (瑞典) | streck | 57.142857 m° | 每圈 6300。斯堪地那維亞軍事標準。 |
| 二進位度 | brad | 1.4063° | 每圈 256;1 brad ≈ 1.406°。計算機圖形學。 |
天文學與天體
| 單位 | 符號 | 度 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 時角 | h | 15.0000° | 24h = 360°;1h = 15°。天體坐標 (RA)。 |
| 分 (時間) | min | 250.000000 m° | 1 分鐘 = 15′ = 0.25°。基於時間的角度。 |
| 秒 (時間) | s | 4.166667 m° | 1 秒 = 15″ ≈ 0.00417°。精確時間角度。 |
| 星座 | sign | 30.0000° | 黃道星座;12 星座 = 360°;1 星座 = 30°。占星術。 |
專業與工程
| 單位 | 符號 | 度 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 六分儀 | sextant | 60.0000° | 1/6 圓周;60°。幾何劃分。 |
| 八分儀 | octant | 45.0000° | 1/8 圓周;45°。幾何劃分。 |
| 象限 | quadrant | 90.0000° | 1/4 圓周;90°。與直角相同。 |
| 百分比坡度 (坡度) | % | formula | 坡度百分比;arctan(坡度/100) = 角度。工程學。 |
常見問題
何時使用度 vs 弧度?
使用度:日常角度、導航、測量、建築。使用弧度:微積分、物理方程、程式設計(三角函數)。弧度是「自然」的,因為弧長 = 半徑 × 角度。像 d/dx(sin x) = cos x 這樣的導數僅在弧度中成立!
為什麼 π rad = 180° 是精確值?
圓周長 = 2πr。半圓(直線)= πr。弧度的定義是弧長/半徑。對於半圓:弧長 = πr,半徑 = r,所以角度 = πr/r = π 弧度。因此,根據定義,π rad = 180°。
如何將坡度百分比轉換為角度?
使用反正切:角度 = arctan(坡度等級/100)。範例:10% 坡度 = arctan(0.1) ≈ 5.71°。不僅僅是相乘!10% ≠ 10°。反向:坡度等級 = tan(角度) × 100。45° = tan(45°) × 100 = 100% 坡度。
角分和時間分鐘有什麼區別?
角分 (′) = 1/60 度(角度)。時間分鐘 = 1/60 小時(時間)。完全不同!在天文學中,「時間分鐘」可轉換為角度:1 分鐘 = 15 角分(因為 24h = 360°,所以 1 min = 360°/1440 = 0.25° = 15′)。
為什麼不同國家使用不同的密位?
密位的設計是為了讓 1 密位 ≈ 1 公里處的 1 米(實用彈道學)。真正的數學毫弧度 = 1/1000 rad ≈ 每圈 6283。北約簡化為 6400(2 的冪,便於劃分)。蘇聯使用 6000(可被 10 整除)。瑞典使用 6300(折衷方案)。所有這些都接近 2π×1000。
角度可以是負數嗎?
是的!正數 = 逆時針(數學慣例)。負數 = 順時針。-90° = 270°(相同位置,不同方向)。在導航中,使用 0-360° 範圍。在數學/物理學中,負角度很常見。範例:-π/2 = -90° = 270°。