在生活中,几何学可谓无处不在。果戈里曾写过一篇文章,描写的是第聂伯河。文章中有这样一段描述:
漫天的星斗在天空照耀着,倒映在第聂伯河上。幽暗的第聂伯河把它们紧紧搂在怀里,没有一颗星能躲过它的怀抱。
我们也都曾有过这样的感觉,站在河边的时候,仿佛漫天的星斗全都倒映在了水面上。
真实情况是什么样的呢?真的是所有的星星都倒映在河中的水面上吗?
图 在河面上能够望到的星星。
如图所示,假设点A处是观察者眼睛的位置,MN是河中的水面,那么观察者在点A看向河面的时候,看到了哪些星星呢?
在图中,从点A引一条垂直于MN的垂线,在其延长线上取一点A′,使A′D=AD。假设点A′是观察者的眼睛,那么他只能看见角BA′C范围内的星空,也就是说,观察者在点A看的时候,也只能看到这么多。而在这个视野之外的星空,观察者是看不到的,它们的反射光线根本到不了观察者的眼睛中。
我们可以证明上面的现象:在角BA′C范围之外的星空,观察者在看向水面的时候,是看不到的。
在图中,S星的光线射到水面的M点,在水面的反射下,这条光线会向垂线MP的另一个方向反射出去,而且这个反射角等于入射角SMP。与角PMA相比,这个反射角要小一些,所以这条反射光线只是从点A的旁边经过,并没有反射到观察者的眼中。如果从S星发出的光线射到了离岸边更远的地方,反射光线将离点A更远,也就更不能到达观察者的眼中了。
从刚才的分析中,我们可以看出,果戈里所描述的情形是不存在的,第聂伯河里倒映出来的星星,只是漫天星斗中的一小部分。
还有一个现象很令人费解。天空中的部分星斗会倒映在河中,那是不是说,如果河流比较宽广,倒映在里面的星斗就一定比倒映在小河中的多呢?事实上并非如此。在河岸较低的小河中,我们可能会看到更多的星星。
如图所示,这跟人们看向河面的视角有一定的关系。
图 在狭窄的小河中可以看到的星星。