聚光的曲线——抛物线

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  现在,在电视台、卫星地面站、许多科学研究机构,甚至在宾馆、居民楼这样的民用建筑物上,我们都可以看到一些像大锅一样的东西。其实他们不是锅,而是通讯用的天线。你能想得到吗?这种天线与一种特殊的曲线有关,它就是抛物线。
  (奇 奇)
  16世纪的欧洲人认为,炮弹是沿着折线飞行的,甚至连教科书里也这样写。他们为什么会有这种认识呢?估计是这样得到的:从发射炮弹的人看来,炮弹是沿着直线飞出去的;而作为挨炮弹的一方来看,炮弹总是沿着直线从天而降。把二者结合在一起,炮弹就是按着折线飞行的了。
  还是意大利著名的科学家伽利略更正了人们的错误认识。伽利略第一次指出,炮弹并不是沿着折线飞行,而是沿着一条曲线飞行的,他给这条曲线起名叫做“抛物线”。
  
  有焦点的曲线
  
  抛物线有一个奇特的性质:
  它有一根对称轴,一束和对称轴平行的光线照射到抛物线上,这些光线会全部被聚焦到对称轴的一点上,这个点就被叫做“焦点”。
  反过来,如果在抛物线的焦点处放置一个点光源,点光源发出的光经抛物线的反射,就会变成一束平行光发射出去。手电筒里面的反光罩就是利用了抛物线的这个性质做成的。把电珠放到焦点处,这样电珠发出的光经旋转抛物面的反射,就变成一束平行光照射出去。同样的道理,探照灯和许多舞台照明灯也用旋转抛物面制作反光罩,以便加强光线的亮度。
  
  通讯的好帮手
  
  无线电波、微波、红外线和X射线都是电磁波,它们的传播规律和光波基本相同。
  一束无线电波或微波,沿着轴线的方向照射到旋转抛物面上时,就会被抛物面聚集到焦点处,使得焦点处的电波强度明显强于周围,这样接收机就可以更好地接收到外来的信号。
  反过来,如果在焦点处放一个电磁波发生器,就可以将电磁波沿对称轴平行地发射出去。这样,不但可以使发射出去的电磁波强度增加了、作用距离更远了,也更容易控制了。因此,雷达天线大都做成旋转抛物面形的,也有的天线做成抛物柱面的。抛物线是通讯、国防、科研必不可少的工具。
  人们最早观察天体运动用的是光学望远镜。17世纪意大利科学家伽利略制造出放大超过30倍的光学望远镜,他就是用这架光学望远镜观察到了太阳的黑子、月亮上的山、金星的相位、土星的环以及木星的4个卫星。伽利略的发现震动了整个科学界。
  随着对宇宙研究的不断深入,天文学家发现,来自宇宙的信息中除了可见光之外,还有许多看不见的电磁波,有无线电波、微波、X射线、γ射线等。由于这些电磁波用光学望远镜是看不到的,而且经过遥远的距离到达我们地球时已经是很微弱,为了把这些微弱的信息收集起来,人们又想起了抛物线的聚焦本领。科学家给天文学家设计了一种新型的望远镜——射电望远镜,他们把射电望远镜的天线做成巨大的抛物面的形状,以便可以最大限度地把来自宇宙的电磁波聚集到它的焦点处。在这种射电望远镜的帮助下,20世纪60年代,科学家们相继发现了类星体、脉冲星、星际有机分子、宇宙的微波背景辐射等。这些发现,把人类对宇宙的研究提高到了一个新的水平。
  
  不花钱的炉子
  
  太阳是一个巨大的能源,它每天都把大量的光和热送到地球上来。地球上万物生长靠太阳。
  自古以来,人们就采用各种办法来利用太阳的光和热。随着科学技术的发展,人们正在寻找更直接、更简便、更清洁、更有效的办法来利用太阳能。制作太阳灶就是一个简便的好办法。
  有的太阳灶的外形也像一口大锅,它也是旋转抛物面。因为太阳离地球很远,我们可以把到达地面的太阳光看成是平行光。太阳光沿着对称轴的方向照到抛物面上,便被聚集到焦点处,使那里产生很高的温度。比如我国制作的直径为1400毫米的旋转抛物面形的太阳灶,它的焦点处温度可达600℃~700℃,可以用来烧水、做饭。
  
  海市蜃楼的秘密
  
  在我国的青岛和蓬莱,经常会出现这样一种奇怪的自然现象:在海面的远处,水天相接的地方,突然会蒙蒙 出现一座陌生的城市,那里有高大的建筑、整齐的街道,还有来来往往的车辆。人们心里都很清楚,那里是大海,根本就没有陆地,但那些城市是怎么一回事呢?这种自然现象自古就有,古人不了解其中的原因,认为是神仙所致,又由于经常出现在蓬莱,就把它称为“蓬莱仙境”,也有人把它叫做“海市蜃楼”。这种现象有时在沙漠中也会出现。
  人们不禁要问:为什么会出现海市蜃楼那样的现象?经过研究,原来是抛物线在那里捣鬼!
  我们知道,光通过密度不同的物质时,会发生折射现象。比如把一支筷子插入盛有水的玻璃杯中,你从外面看,筷子好像折成为两截。这就是因为光通过空气和水这两种密度不同的物质时发生了折射。
  在海洋和沙漠的特定环境条件下,上层空气和下层空气的密度变化明显,当光在密度不同的空气中前进时,也会不断地发生折射现象。这样,光就不走直线了,而是不断拐弯,实际上是走了一条抛物线。虽然光线拐了弯,但是人们习惯地认为光总是沿着直线前进的,就以为自己真的看到在海面上有一座城市。
  你看,科学是不是给了我们一双慧眼?否则的话,我们也会以为是“神仙”下凡了呢。
  (选自《探索形状奥秘》)
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