天高不可測?由司馬紹辯太陽離地有多遠說起,趣談歷史上達人做法

2020-12-05 中學數學精準輔導

人們仰望邈遠的藍天時,總會情不自禁地想:「天有多高呢?」由於天高不可測,人們便想知道天空中的太陽離地有多遠。孔子不能回答「小兒辯日」問題,可是,有一個兒童卻敢於在大人的面前巧辯太陽離地有多遠。

東晉明帝司馬紹,自小就聰明伶俐。三歲那年,有一次他正在父親晉元帝司馬睿議事的地方玩,剛好有一個長安的使者來了。等使者走了之後,司馬睿有心考司馬紹,便說:「你說是長安離我們遠呢,還是太陽離我們遠呢?」司馬紹想也不想就說:「我看見有人從長安來,卻沒有看見有人從太陽來,當然是長安近太陽遠!」

次日,司馬睿設午宴會群臣時又向司馬紹問道:「你再想想,是太陽離皇宮近呢,還是長安離皇宮近?」司馬紹回答:「我們抬頭就看見太陽,卻看不見長安,當然是太陽離我們近。」父親心裡暗暗稱奇,同一件事有兩個不同的答案,但都各有理據,這孩子果然機敏聰慧。滿朝文武聽了,無不讚嘆司馬紹善辯的口才。

那麼,到底是長安遠還是太陽遠,科學家們倒是想用具體數字來說話。長安在大地上,自然有辦法丈量;太陽高懸空中,要量它離我們這兒有多遠可就難了。然而,人類憑藉智慧還是想出了辦法----利用影子。

泰勒斯(Thales,約公元前624年-公元前546年),出生於愛奧尼亞的米利都城,古希臘時期的思想家、科學家、哲學家,希臘最早的哲學學派——米利都學派(也稱愛奧尼亞學派)的創始人。他是古希臘第一個提出「什麼是萬物本原」這個哲學問題的人,提出了水本原說,被後人稱為「希臘七賢之一」和「哲學和科學的始祖」。

早在公元前6世紀,古希臘學者泰勒斯就曾經借影子的作用去拯救戰火中受難的百姓。據說當時美地亞國和呂地亞國(位於今土耳其西部)發生戰爭,連續五年未分勝負,滿目瘡瘦,哀鴻遍野。泰勒斯目睹慘景,便去遊說兩國首領,陳說利害,建議停戰,但均遭冷遇。於是,他便揚言,上天反對戰亂,某月某日利用日食作為警告。果然到了那天,兩軍正在鷹戰,突然太陽失去光輝,白晝頓成黑夜,雙方將領大為恐懼,從此罷戰言和。

這個傳說當然未必可信,因為那時泰勒斯是否有能力預測日食發生的時間是值得懷疑的,但這說明影子在宇宙空間也有如此妙用。而泰勒斯深知影子的妙用,因此也敢於大膽地回答「金字塔之謎」:金字塔有多高呢?

在數學中,與金字塔有關的故事非常多。金字塔構造精巧,其中蘊含的許多數據讓古往今來的數學家們都驚嘆不已。單說測量金字塔的高度,就曾經有人想出過各種各樣的辦法。但傳說中第一個測出金字塔高度的人卻是泰勒斯。他不僅測出了塔高,還由此發現了相似三角形的原理。

據說,一年春天泰勒斯來到埃及遊覽。埃及人聽說他來了,希望他能利用這個機會幫忙測出金字塔的高度。泰勒斯想了一下,答應了。

測量金字塔高度的這一天,塔下擠滿了觀看的人群,人們都想看看這個充滿智慧的泰勒斯是怎樣測出來的。

泰勒斯從路上走來了,只帶了一把尺子。人們感到疑惑,高高的金字塔怎麼能用尺子測量呢?

只見泰勒斯站在沙漠中,讓助手測出自己的身長,再測出自己影子的長度。太陽太低了,泰勒斯拖著長長的影子。太陽漸漸上升,影子漸漸變短了。到了上午的某個時刻,他的助手測出,泰勒斯的影子長度與他的身長相同。泰勒斯一聽,馬上讓助手測量金字塔的影子長度。不多工夫,助手測出了金字塔的影長。

坐在一旁的法老和遊客們看了半天,都看不懂這個高度是怎麼算出來的,便問泰勒斯:「你是怎樣算出這塔的高度的呢?」

泰勒斯回答道:「這道理很簡單……」他用手比劃著給人們講了如何利用「人的身影=人的身長」的關係,然後代入「塔影:塔高」的數學道理,來計算塔的高度,當時陽光正呈45。角射向地面,立在地面上的金字塔,其塔影和擦塔頂而下的光線正好組成一個等腰直角三角形。在此三角形中,塔高和塔影正好是等腰三角形的兩條等腰的「邊」。 接下去,「只要量一下塔影的長度,就可以知道塔身的高度了!」泰勒斯話音一落,人群中立刻爆發出熱烈的掌聲,都為他的聰明、智慧所傾倒。

然而,一座塔、一棵樹,甚至一座山固然都可以應用這個方法測量高度,卻沒有人敢想像,更高的物體,譬如說太陽,它有多高呢?誰能夠測得日高呢?

第一個敢於接受挑戰的是我國三國時代的科學家趙爽(公元3世紀),他用什麼方法去測量太陽的高度呢?奇怪得很,用的仍是影子。

然而,太陽實在是太高了,根本不可能簡單地應用相似三角形的原理去測高,這主要是因為無法取得作為對應邊的水平距離。

趙爽在作《周碑算經》注釋時巧妙地創造了「雙表入影法」來解決這個問題,他繪製了一幅日高圖,如下圖所示。在水平地面上立兩表(表即「杆」的意思),日照下顯出影長AB和CD,作CE-AB,則ED為兩影長度之差;接著他證明「黃甲」與「黃乙」的面積相等,而黃甲的面積是表高與兩表之間距離的乘積,用影差作為黃乙的寬去除黃甲面積,便得黃乙的長,它的上端與日頭相齊,加上表高,就是日高了。

但是,因為地面不是平的,而且表高與表間距離相對於日高過於微小,所以測得的日高是不準確的。不過,趙爽卻為後人提供了一種極為先進的測高望遠之術。

長江後浪推前浪。歷史的發展必然使科學不斷進步,在趙爽之後的幾十年,同世紀人劉微提出一種重差理論,發明了「重差術」:「重」就是重複,「差」是日照影子長度的差值,說明只需測兩次求日影的差,就可以算出距離。

劉徽對趙爽的日高測量法做了很大發揮,他認為,重差術用於測日高固然不準,但是,用於測量一座山、一座塔的高度卻是遊刃有餘,特別是用於測「可望而不可即」的景物更是別開生面,譬如說在大陸要隔海測海島高度就可以用這種方法。劉徽寫了一本名叫《海島算經》的書,並創立了投影學說。

數學的思想方法是數學文化的靈魂和精髓,是學生今後進行數學思考的重要支撐。而習題的解答都需要依託數學思想去探求方法,因此,數學不僅有著知識的「身軀」,更有著文化的「靈魂」,將數學文化適時恰當地融入數學課堂教學,讓學生受到文化滋養的同時產生文化共鳴,充分彰顯數學的教育價值,促進學生可持續發展。

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