与光同行 | 影子的妙用

与光同行 | 影子的妙用

“让爸爸带上一条长绳,我拿着绳子的一头爬上塔顶,爸爸在地上按住绳子的另一头,不就行了吗?”

“这么陡的金字塔,就算是专业的运动员也爬不上去,更不要说你这个小姑娘了。”望着女儿胀红的脸,西翁鼓励她道:“当然你的解题思路在理论上是正确的,只是缺乏可操作性。所以要动动脑子,换一种解题方法……”

小希帕蒂娅不说话了。她回家后就把自己关在书房里,可即便换了几种计算方法,却仍旧无法突破“棱”这个障碍……

“这样下去可不行”,西翁望着爱女有点消瘦的面容,关切地对女儿说:“我们再去现场寻找解题的方法吧。”

于是,西翁牵来了两匹马。当父女两人骑着马,快到金字塔前改为步行时,天色已近黄昏,夕阳把父女俩的影子拉得很长。

希帕蒂娅低着头,目光不自觉地注视着自己和父亲的影子。当她看到两人的影子不停向前移动,就加快了脚步,终于使自己的影子和父亲的影子重合在一起了。

当太阳与父女两人的头顶恰好形成一条直线时,她顿时产生了灵感,大声喊起来:“我找到办法了……”

“什么?”

“爸爸,现在我和你还有太阳的位置,不是正好形成两个直角三角形么?知道了你和我的影子长度,又测量了我的身高,运用相似三角形原理不就可以计算出你的身高了么?”

“我的身高用一根长杆子测量一下就行了,还需要你算吗?”

“可是到哪里去找像金字塔那么高的竿子啊?”

希帕蒂娅一愣,但旋即抱住西翁的脖子,激动地说:“爸爸难道成了老糊涂了?怎么不为今天女儿利用影子,测量金字塔高度的伟大发现而高兴呢?”

西翁当然是明白人,希帕蒂娅所说的方法不但完全符合相似三角形原理,而且具有可操作性。

日晷的发明

人们在日常生活中发现,如果在地面上竖起一根标杆,当清晨的太阳升起时,标杆会在地面上留下长长的影子;正午,当太阳逐渐升向正上方时,它的影子就渐渐变短;傍晚,太阳不断下落,影子又越来越长,直到太阳落山而消失。根据这种现象,大约在2000多年前的春秋时期,中国人就制造出了一种名为“日晷”的计时仪器。

“日”就是太阳,“晷”字的古义是太阳的影子。“日晷”实际上就是利用太阳光下影子的变化,观察时间的古代钟表。

它的主体是一块石制的大圆盘,叫“晷盘”,上面有指示时间的刻度。在晷盘的中央安置一根与圆盘垂直的金属指针。当阳光照射时,金属指针就会在晷盘上留下不同的影子。

古代的巴比伦人、埃及人和罗马人也都曾用过这种测定时间的方法。比如,古罗马人曾在一个空旷的广场上竖起过一根高达34米的尖形石柱作指针,并在广场地面上留有刻度,这实际上就是一个硕大无比的日晷。

地球的测量

日晷利用太阳影子的变化报时,表明了地球一天24小时在自转。而一年春、夏、秋、冬四季的变化,表明地球还绕着太阳在转动——公转。如果想要知道地球究竟有多大,也可以向影子求助。

早在公元前200多年,住在埃及亚历山大里亚城的古希腊科学家埃拉托色尼,就在夏至——太阳直射北回归线那一天正午,将一根竹竿垂直立在亚历山大里亚城广场上,根据阳光投射的短短的影子测算出太阳的入射角为7.2°。而在亚历山大里亚城南面的塞恩城(今阿斯旺水坝附近)同一天的正午,阳光可以笔直地照射到一口很深的枯井底。如果在地面也同样竖一根竹竿,却不会产生影子。

这个现象引起了埃拉托色尼的深思:它不正好证明地球是一个球体么?后来,他又根据商队通过两地之间所用的时间,推算出相距约为5000斯台地亚(这是古埃及的一种长度单位,约为805千米)。

亚历山大里亚城和塞恩城基本上处在同一条经线上。根据几何学中在同一个圆内多大圆心角,就对应多大圆弧的原理,埃拉托色尼终于求出了地球的圆周长=5000/7.2°×360°=250000 斯台地亚(相当于39816千米)。这个答案与运用现代精密仪器测得的地球经线圈长度40009千米相当接近了。

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