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我们先感受一下拟圆画椭圆的动画:【大圆是以F2为圆心的固定圆(半径R固定),即拟圆的大小和位置不变。移动圆(图中绿色)位于准圆内,始终与大圆内接,并穿过圆内的不动点F1(不失一般性,我们在准圆中心F2左侧,与F1在同一水平线上画不动点F1)。因此,PF1=PT(动圆半径)。因为动圆内接准圆,切点T、动圆心P和准圆心F2在同一直线上,所以TP+PF2=TF2=准圆半径r=一个固定值。最终,从移动点p到两个固定点F1和F2的距离之和PF1+PF2=TP+PF2=固定值,因此移动点p的移动轨迹是椭圆。】
我们来感受一下从准线画抛物线的动画:[准线垂直于横轴且固定的地方。移动圆(图中绿色)始终与准线右侧的准线相切,并穿过准线右侧的固定点F1。动画中的点F2首先忽略它。因此,PF1=PT(移动圆半径),即移动点p到固定线(准线)的距离等于到固定点F1的距离。根据抛物线的定义,运动点p的运动轨迹是抛物线。】
你能找到它们之间的异同吗?
相似之处是:第一,两种情况下都有一个运动圆,运动圆与物体相切:画椭圆时与固定圆相切(准圆),画抛物线时与固定线相切(准线)。其次,所有运动的圆都经过固定点。区别在于一个是固定圆(准圆),一个是固定线(准线)。
但是我们知道,当圆的半径变为无穷大时,圆弧趋近于一条直线。也就是说,一条直线可以看作一个半径无限大的圆。因此,我们在椭圆动画中将准圆的中心F2从F1向无穷远处移动。然后在极限情况下,准圆变成准线,椭圆变成抛物线。这就是椭圆和抛物线的联系!
我们知道,如果把椭圆的内侧想象成一个垂直于椭圆所在平面的圆柱体,圆柱体的内侧是一面镜子,那么从椭圆的一个焦点发出的光会照射到椭圆上,然后被反射,光会照射到另一个焦点上。这里,从F1发射的光线撞击椭圆,然后通过另一个焦点F2反射。我们也知道,如果把抛物线的内部想象成一个垂直于抛物线所在平面的圆柱体,圆柱体的内部是一面镜子,那么从抛物线的焦点(这里是唯一的焦点F1)发出的光就会反射到抛物线上,光就会发射到无穷远处。我们把椭圆的焦点F2移动到无穷远之后,椭圆的焦点F1发出的光穿过椭圆上的点,然后照射到无穷远的点F2上,就变成了使用抛物线时光照射的情况。因此,我们从光路上证明椭圆的极限是抛物线。因此,从拟圆和准线的角度来考察椭圆和抛物线,可以得到统一的视角,对二次曲线有更深的理解。
在这个过程中,椭圆大部分时间还是椭圆,只是大小和圆度不同。圆度体现在偏心度的差异上。在极限情况下,椭圆的偏心接近1,即抛物线的偏心。这里应该强调的是,椭圆的偏心率e可以有无穷多个(0
我们也可以从拟圆画双曲线,如下图动画: 【双曲线比椭圆复杂,请仔细观察动画的全过程。在开始时,中心为p的移动圆与准圆F2外切,并穿过准圆外的固定点F1。此时移动点p画一条双曲线(动画中的右分支)。当移动到一定程度(无穷大)时,移动的圆变成一条通过点F1并与准圆相切的直线(切线)。然后,切线变成圆心在对面的圆。此时圆仍与拟圆相切,但它是内接的(包括拟圆)。同时移动点P跑到“另一边”画双曲线的另一边(左支)。在画左支的过程中,动圆由大变小,再由小变大,直到变成一条直线(另一条准圆切线通过点F1)。然后,切线从反方向变成一个圆。圆心最后移动到起点,双曲线完全画出来的整个过程。】
类似于椭圆情况,我们让点F2远离F1,趋近于无穷大。结果,准圆变成准线,双曲线的一个分支变成抛物线。双曲线的偏心由大变小,趋近于1,即抛物线的偏心为1。尤其是双曲线的偏心率e可以有无穷多个(e >: 1),而抛物线的偏心率只有一个(e=1)。
如上所述,光线从焦点反射到椭圆或抛物线上。让我们来看看当来自焦点的光线照射到双曲线上时,双曲线是如何运动的。从焦点F1发出的光,照射到双曲线上的点p后被反射,光的方向就好像来自另一个焦点F2(因为从准圆到双曲线的过程中有∠1=∠2=∠3)。如果焦点F2在远离F1的方向上移动到无穷远处,准圆就变成了一条直线,也就是抛物线的准线,双曲线就不再“完整”,它的左支消失了,它的右支变成了抛物线(就像椭圆的情况下椭圆不再是完整的椭圆一样)。
椭圆、抛物线、双曲线都可以看作是连续变化的。设焦点F1为椭圆的定焦,抛物线的唯一焦点或双曲线的定焦。椭圆的焦点F2在远离F1的方向上移动到无穷远处,椭圆变成抛物线。然后这个点F2好像有神奇的力量,从运动轴的另一个方向出现,向焦点F1移动。原来的椭圆,通过瞬时抛物线,变成双曲线。
不同圆度和平整度的椭圆根本不相似,不同偏心度的双曲线根本不相似。但是任何抛物线都是相似的,因为抛物线的偏心率只有一个,总是1。两个不同偏心率的椭圆,无论怎么放大缩小,永远不会重合;双曲线也一样。然而,两个看起来非常不同的抛物线,当它们被放大或缩小时,绝对可以重合。比如下面两个抛物线,开口大,开口小。
但是如果我们切掉右边抛物线的一部分(如下图右边绿框所示)。
然后放大,直到焦点F1和准线的距离和左边抛物线的距离一样,观察下图,看两者看起来是否一样。是的,我们可以重叠。(注意右侧红色放大的曲线更粗,因为任何绘制的曲线都有宽度,放大后宽度变大。其实曲线本身是没有厚度的。)
以上大致解释了为什么抛物线都是类似的图形。椭圆和双曲线都没有这个性质。
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