这是一个发生在古希腊时期的故事。统治者在西西里岛上开凿了一个岩洞作为监狱。由于监狱条件很糟糕,犯人们不堪忍受,纷纷想越狱逃跑。
于是他们晚上偷偷聚集在岩洞里面的一张石桌旁,小声地议论越狱的计划。可是每次商量好的计划都被看守提前知道了。
于是,犯人们开始相互猜疑,认为他们中间一定出了叛徒。但是不管他们怎么查找,也查不到告密者是谁。
这究竟是怎么回事呢?
后来人们搞清楚,这个岩洞不是随便开凿的,而是请了一位叫刁尼秀斯的官员专门设计的。他设计的岩洞监狱采用了椭圆形的结构。
这种特殊的结构,使得犯人在最里面小声议论的声音,可通过墙壁反射清楚地传到洞口看守人的耳朵里。人们就把这种设计叫做“刁尼秀斯之耳”。
那么这样的设计里面又蕴含着怎样的数学原理呢?
原来犯人们议论的地点和看守的地点正好位于椭圆的两个焦点。从其中一个焦点上发出的声音,经过椭圆反射后,刚好通过椭圆的另一个焦点。
这样囚犯这点发出的任意方向的声音经过墙壁反射后,都汇集于看守那一点。
难怪每次看守都提前知道犯人的计划!
从椭圆一个焦点发出的光线,经过
椭圆反射后都通过另外一个焦点。
椭圆有这样的光学性质,那么双曲线和抛物线是否也有类似的光学性质呢?
对于椭圆的两个焦点F1、F2,固定左焦点F1,移动右焦点F2。当F2向左移动时,椭圆逐渐趋向于圆;当F2向右移动时,椭圆逐渐趋向于抛物线,F2到无穷远时即为抛物线;当F2从无穷远处由左边回到圆锥曲线轴上时,即为双曲线.
从双曲线的一个焦点发出的光线,经过双曲线反射后是散开的,它们就好像是从另一个焦点射出的一样。
从抛物线的焦点发出的光线,经过抛物线反射后,反射光线平行于抛物线的轴。
圆锥曲线的光学性质在有着广泛的应用,例如可以用来设计汽车车灯、通信卫星、天文望远镜等。
例如,南京天文仪器厂设计制造的一种反射式天文望远镜,其光学系统的原理示意图(即中心截口示意图)如下图所示。其中,一个反射镜PQ弧所在的曲线为抛物线,另一个反射镜MN弧所在的曲线为双曲线的一个分支,又F1,F2为双曲线的连个焦点,且F2建为抛物线的焦点。
圆锥曲线的光学性质
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刁尼秀斯之耳
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