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历史上著名的物理实验一:测算地球的周长

时间:2020-08-11

关于周长的故事

提示:本文共有 1380 个字,阅读大概需要 3 分钟。

有些看来不可能的事情,但却被做到了,这其中必然凝集着知识综合应用的智慧。历史上,在夏至当天,测量太阳投影的方法,间接测量出地球的周长,这个实验,就是这样一个令人拍案称奇的著名物理实验。

试想,现在,假如让你测量地球的周长,你有什么办法?

两千两百多年前,大约公元前240年,埃及学者埃拉托色尼,利用天文学知识、地理知识和数学知识,在夏至那天同一时间,分别在两个地方,测量太阳在地球上的投影,而求出地球上两地的距离所对应的弧度,从而得到地球的周长,其结果与现代的测 量结果非常吻合。

埃及的阿斯旺地方,那里有一口枯井,夏至的那天,太阳光可以直射进井底。这件事,很多人都知道。这说明太阳光在阿斯旺是直射的。换言之,你立根标杆,太阳光照射下来,标杆没有影子。换个地方,标杆会有影子。埃拉托色尼想,同时不同地,立杆有不同的投影,说明地球是有弧度的。当时人们已经认识到,地球是圆球形的。如果沿着地球赤道,或者沿着地球的子午线,都可以测算出地球的弧度,从而计算地球周长。

若能利用夏至这天太阳在阿斯旺直射这个特点,测量过程将会简便许多,准确许多。阿斯旺不在赤道上,只能利用子午线。子午线也叫经线,连接地球南北两极。埃拉托色尼是埃及图书馆的馆长,他本身就勤于动脑,学识渊博,再加上他的工作便利,能够拥有大量查询的信息。于是他制定的测量方案是,在阿斯旺正北方800公里的亚历山大里亚,在夏至日,测量立杆的太阳投影。

选择亚历山大里亚,位于阿斯旺正北方,两个地方位于同一子午线上,已经知道准确的距离800公里,选择这个地方,不会因为距离太近,使得两地间的地球弧度太小,首先得能够测得出来,其次能够测的比较准确。测量方案示意图如下:

图测量地球弧度的方案

于是,埃拉托色尼在夏至当天,在亚历山大里亚,用准确测量的立杆长度,和在地面投影的长度,利用直角三角形的正切,即对边除以临边的数值,算出了太阳在亚历山大里亚斜射,斜射角是7度12分。根据几何知识,以及太阳光射到地面上,可视为平行光,可以知道,斜射角正是地球弧度造成的。就是说,800公里的距离,造成了太阳光在亚历山大里亚的7度12分斜射角。这样就算出了,地球的弧度7度12分,对应800公里的弧长。圆周360度,地球的周长就是800公里的50倍,即4万公里。

现在用先进的仪器,测量地球的结果,赤道周长(纬线)40075.70公里,子午线周长40008.08公里。两千多年前先人的测量结果与现今的测量结果高度吻合,不能不让人佩服。

在地球上,用直尺测出地球的周长,我读阿西莫夫的《科学最新指南》,第一次读到这个故事,被这个奇思妙想惊呆了。我当时思忖做个思想实验,设想了很多方案,不但用到的设备复杂,而且测量精度还很难保证。一件事,不设身处地的去做一做,很难体会到其中的困难。当别人用很简单的条件,做出很漂亮的结果,这时你才能体会到其中的智慧。“坐地日行八万里”,始知“八万里”的说法,还有这样美妙的故事。

大美至简,美到极致是简约。历数各种美不胜收的事物,莫不如此!这是一个非常完美的实验。想不到,这样简单的设备,这样“简单”的方法,测算出了地球的周长! 各种知识的融合应用,貌似不可能的远距离测量,变换思维角度,不可能成为了可能!看似不可能的事情,想想这个实验,会不会启发你,变换思维角度,另辟蹊径?

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