圓錐曲線

圓錐曲線的反射性質(reflective property)

為什麼碟形天線做成拋物線、手電筒反光罩是拋物面、迴音廊是橢圓形?因為每一條圓錐曲線的幾何中都內建一條神奇的反射規則:遵守尋常「入射角等於反射角」反彈定律的一束光或聲,對焦點會做出特別的事。這就是反射(或光學)性質,也是圓錐曲線成為光學與聲學主力的原因。

每條圓錐曲線做法不同。拋物線:每一束平行於軸射入的光線,反射後恰好通過焦點——反過來,置於焦點的光源射出完美平行的光束。(這就是為何碟形天線把微弱的遠方訊號匯聚到焦點上的單一接收器,車燈射出筆直的光束。)橢圓:從一焦點射出的光線反射後通過另一焦點,每次皆然——所以從一焦點發出的所有聲音在另一焦點重新匯聚,即「迴音廊」效應,而碎石機把震波從一焦點聚焦到另一焦點的腎結石上。雙曲線:朝向遠端(虛)焦點射入的光線反射向近端焦點,此性質用於卡塞格林望遠鏡折疊光路。每種情形底層的原因都是切線平分:任一點的切線與兩焦線(或與軸方向)成等角,這恰是反射定律。

這些性質並非巧合,而是直接源自焦點定義的定理;也正因如此,圓錐曲線——在任何應用之前兩千年便作為圓錐的抽象切痕被發現——竟恰好是望遠鏡、天線、車燈與醫療器械所需的正確形狀。

站在橢圓「迴音廊」的一個焦點輕聲說話;位於另一焦點的朋友能清楚聽見,儘管你倆之間的人毫無所聞——你的聲線全都反射於牆面並重新匯聚於第二焦點。拋物面碟形天線對無線電做相反的事:來自遠方衛星的平行波全反彈到單一焦點,接收器就在那裡。

拋物線:平行入射到焦點。橢圓:焦點到焦點。雙曲線:朝向虛焦點到近焦點。

反射服從與平面鏡相同的「入射角等於反射角」定律;圓錐曲線的魔力僅在於它的形狀,使那些等角反彈導向焦點。此性質對理想曲線是精確的——真實的碟形天線會因製造瑕疵損失一點。

又稱
optical property of conicsfocal reflection property光學性質