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倒映水中星空:趣味几何学

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:果戈理曾这样描写第聂伯河:“繁多的星星在寂静的夜空闪闪发光,可它们又全都倒映在第聂伯河里,第聂伯河把所有的星星揽入自己幽暗的怀抱,除非它在夜空中熄灭,否则任谁都别想逃脱。”图2-29 在水面的倒影中可以看到哪部分星空那么应该如何证明这点呢?就是说,如何证明观测者在水面上看不到BA′C角度以外的S星呢?图2-30 在河岸低且水面狭窄的水面映像中能看到更多的星星

倒映水中星空:趣味几何学

在漆黑的夜晚,小河照样可以给我们出几道几何题。果戈理曾这样描写第聂伯河:“繁多的星星在寂静的夜空闪闪发光,可它们又全都倒映在第聂伯河里,第聂伯河把所有的星星揽入自己幽暗的怀抱,除非它在夜空中熄灭,否则任谁都别想逃脱。”是的,当你在湖边看着满是星星的夜空映在河水中时,你会怀疑自己的眼睛,这是真的吗?这条河,竟把所有的小星星都揽入怀中了吗?

如图2-29所示,A表示站在岸边的观测者的眼睛,MN代表水面,那么,观测者看向水面,可以看到哪些星星呢?为此,我们可以从点A画一条垂直于MN的直线AD,并把AD延长至A′,若从A′处观测,则只能看到BA′C角度以内的部分星空,这和从A处观测看到的画面一样。观测者的眼睛无法捕捉到这些星光反射的光线,所以这一角度以外的星星,他是看不到的。

图2-29 在水面的倒影中可以看到哪部分星空

那么应该如何证明这点呢?就是说,如何证明观测者在水面上看不到BA′C角度以外的S星呢?我们来看一下S星映在离岸较近的M点光线。根据光的反射定律,相对于垂直于MN的MP直线和入射角SMP的反射角小于角PMA(根据ADM和A′Dm两个三角形全等的关系可以证明);也就是说反射的光线应该紧挨着A点经过,没有通过A点,观测者是看不到的。如果点S星的光线被水面反射的地点更远离岸边的M点而向岸上陆地移去,那么观测者就更难看到水面反射S星的光线了。(www.xing528.com)

所以说果戈理的描写太夸张了:第聂伯河水面无法反射出整个夜空的星星,甚至连一半都没有。

还一个发人深思的问题,我们根本无法证明水面能倒映出多大的星空,因为哪怕是一个水面狭窄、河岸低矮的小河水面上,你也能看到比宽广的大河水面上还要多的星空,只要你调整好自己的视角,就能很容易地证明这一点(图2-30)。

图2-30 在河岸低且水面狭窄的水面映像中能看到更多的星星

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