一提到现代物理学的测量,许多人的脑海里可能就会出现一些非常复杂、高级、精密的仪器,也就是人们通常认为的所谓“高精尖”仪器。事实上,测量工作是否需要使用所谓“高精尖”仪器,不能一概而论。在一些特殊场合和情况下,即便没有先进的测量仪器,依据基本的物理知识,同样也能够进行测量,完成有价值的科研工作。
下面这些真实、有趣的小故事便很能说明这个问题。大家从中不难体会到,灵活利用身边现有的条件解决测量难题的科学性、可能性和重要性。
一把尺子巧测金字塔
古埃及的金字塔高耸入云,蔚为壮观,令人叹为观止。金字塔究竟有多高呢?在古代,这是一个难解之谜。当时的人们虽然想尽了一切办法希望测出金字塔的高度,却一直未能如愿;直到有一天,古希腊哲学家和数学家泰勒斯来到金字塔下。
如何才能用简单、快捷的方法测量出金字塔的高度呢?泰勒斯反复思考,终于想出了办法。他向人们保证,将用最简单的方法、在较短的时间内解决这个难题,并请大家第二天来看结果。
第二天,艳阳当空,阳光灿烂。吃过早饭,泰勒斯和他的助手仅带了一把尺子就来到了金字塔下。此时的金字塔下已是人山人海,因为人们听说泰勒斯能用最简单的方法测出金字塔的高度,其中既有人表示怀疑,也有些人非常好奇,还有些人深信不疑,于是,人们特意来观看泰勒斯是如何测量塔高的。
开始时,由于太阳斜射,人在地面上投下的影子很长,随着太阳不断升高,人的影子越来越短。当助手测得泰勒斯的影子的长度与其身高恰好一致时,泰勒斯立即在金字塔的影子的末端做上了记号,并用尺子测量出金字塔影子的长度。随后他当众宣布:这个影子的长度就是金字塔的高度。塔下的人群沸腾了,大家都被这位伟大的数学家的聪明智慧所震撼。
当然,现在我们知道这只不过是一个很简单的道理,泰勒斯是利用简单的三角形全等的原理,但你要知道这可是在公元前6世纪发生的事情,在当时确实是一个了不起的创举。
一道阳光巧测地球周长
古希腊哲学家亚里士多德在《天论》一书中明确地提出,地球是一个球体。不过,在当时,很多人并不相信这个结论。
埃拉托色尼是古希腊著名的科学家,不仅才智高超、多才多艺;而且知识渊博、勤于动脑、善于思考、勇于进行科学探究,在当时所有的知识领域,他都做出了非常重要的贡献。埃拉托色尼十分崇拜亚里士多德,对毕达哥拉斯、亚里士多德提出的关于地球是一个球体的论述深信不疑,并千方百计地要测出地球的大小。于是,公元前3世纪(约公元前225年),埃拉托色尼完成了人类历史上对地球周长的首次测量。
埃拉托色尼是怎样比较准确地测出地球周长的呢?
埃拉托色尼生活在埃及临近尼罗河口的亚历山大里亚城,他发现,每年从春季到冬季,太阳从来没有在这座城市的天顶上停过,即使在每年6月22日正午,亦即夏至日这一天,太阳光线与垂直于地面的标杆之间的夹角也有7.2°,即等于360°的1/50。
他又听说,与亚历山大里亚城几乎处于同一条子午线上、在该城正南方785千米处,另有一座叫塞尼城(今阿斯旺大坝附近)的城市,情况与亚历山大里亚城大相径庭:那里每年夏至日这天的正午,太阳正好挂在天顶,阳光可以笔直地照射到井底。所有直立的物体都没有影子。
这种奇妙的现象引起了埃拉托色尼的极大兴趣,也激发了他的灵感。埃拉托色尼想,从远处照射来的太阳光是平行光,如果地球是平面的,那么就不可能出现这种差异,这种差异的产生不正好说明了地球是圆的吗?根据现有的数据不就可以计算地球的周长了吗?
由于地球离太阳非常遥远,因此可以近似地把太阳光看作是彼此平行的光线。根据平行定理(两条直线平行,同位角相等),埃拉托色尼得出了∠1=∠2=7.2°的结论。
在几何学中,∠2这样的角叫圆心角。根据圆心角定理,圆心角的度数等于它所对应的弧的度数,因为∠2=∠1,所以它的度数也是360°的1/50,故图中表示亚历山大里亚城和塞尼城距离的那段圆弧的长度,应该等于地球这个圆周长的1/50。也就是说,亚历山大里亚城与塞尼城的实际距离,正好等于地球周长的1/50。于是,根据亚历山大里亚城与塞尼城之间的实际距离,再乘以50,就可以得出地球的周长。
埃拉托色尼的计算结果是:地球的周长为39250千米。按现在的观测来看,由于地球的形状就像一个鸭梨,因此可以把它近似看成一个球体,科学家们已经运用多种先进手段测得地球的半径为6378千米,乘以2π(其近似值为6.28),求得地球的周长为40003.6千米。这一数据与埃拉托色尼所测得的结果相差并不是太大。
要知道,这可是一个生活在2000多年前的古人所测得的地球大小,可见当时埃拉托色尼的测算还是比较准确的。与现代科学测量相比较,无论是其测量方案的科学性,还是测量结果的精确性以及测量方法的简单性与巧妙性,都令今人叹为观止。
无独有偶,在我国唐代,有一个名叫张遂的和尚,也曾用他自己设计的一种拐尺巧妙地测量了地球的周长。
张遂的测量方法如下:如上图所示为一直角拐尺,AB边为长边,BC边为短边,直角间有一弧形刻度,角顶用一细线系一铜锤,将此拐尺举起,把长边AB对准眼睛,同时长边对准北极星,测得此时细线与AB边的夹角为α,则此地的纬度为90°-α。如果在地球北半球且与P在同一经线上的Q地测量,测得在Q地,AB边与细线的夹角为β,又测得P、Q两地的距离为l,则地球的周长为L=。
这样做的原理是:在P地,因AB边对准北极星,所以AB边平行于地轴,如上图所示,重锤所受重力指向地心,所以P地的纬度为φP=90°-α;Q地的纬度为φQ=90°-β。由圆的知识可得l=,所以地球的周长为L=2πR=。