算出地球半径?仅用一张照片和中学知识就行!

作者: 姬扬, 高国强

来源: 返朴

发布日期: 2024-04-23 08:01:38

普林斯顿大学的范德北教授利用一张湖上落日的照片和中学的物理和数学知识,证明了地球是圆的,并且计算出了地球的半径。

根据一张湖上落日的照片,普林斯顿大学范德北教授(Robert J. Vanderbei)证明了地球是圆的,并且给出了地球的半径。

只要知道某件东西可以做出来,即使不知道它到底是怎么做的,很多人就可以把它做出来。在科学发展的历史上,这样的事情屡见不鲜。比如,伽利略发明望远镜。其实,伽利略并不是发明望远镜的第一人。1609年5月,伽利略偶然听说,荷兰有人发明了一种“幻镜”,能够看到远处的风景。他没有参观或购买这种“幻镜”,而是自己动手,用了不到3个月的时间,仿造了两架仪器,并用它仰视星空。

2008年7月5日,在密执安湖湖边,普林斯顿大学的范德北教授(Robert J. Vanderbei)拍摄了一张夕阳照片,太阳即将落入地平线以下,在湖面上留下了倒影。范德北教授认识到,利用这张照片,再加上一些中学的物理和数学知识,就可以证明地球是圆的,还可以得到地球的半径。

这里需要的物理知识是:光沿直线传播;光被镜子反射的时候,入射角等于反射角。这里需要的数学知识是:勾股定理,两个直角边的平方和等于斜边的平方;三角形的正弦定理,即三角形的边长与对角的正弦成正比。

我们分析的示意图(图2)跟范德北教授的类似,只是为了详细说明,用一些新的符号做了标注,分析的过程也略有不同。

具体说明如下:对应于地球的球心,弧线对应于地球表面(假设是完美的球面),是地球的半径;是照相机的位置,照相机相对于水面的高度,也就是的长度;是照相机看到的地平线的位置;是和两个点相对于地球中心的张角;是太阳的上沿在水面的倒影位置;是该处太阳光与水面的夹角;是残阳相对于照相机的张角,也就是太阳最上沿和地平线相对于照相机的夹角;是残阳在水面上的倒影相对于照相机的张角,太阳最上沿的水面倒影和地平线相对于照相机的夹角;是Q和R两点相对于照相机的夹角。

范德北教授对照片进行了数据分析(图3):太阳的直径是317个像素,地平线上的太阳高度是个像素,地平线以下的(也就是水面上的)太阳影像的高度是个像素。因为阳的视张角是,这样就可以得到和的值, 也就得到了的值。而就是照相机三脚架的高度,大约是米。把这些数据带入公式(),就有米(这个值不确定)。可以得到地球的半径为公里与实际值公里相差不远。

简而言之,地球很大,要想知道它是不是圆的,甚至测量它的半径,需要跑得很远才行。但是,普林斯顿大学的范德北教授认识到,只需要在海边(或者很大的湖也可以)拍一张日出或日落的照片,就可以证明地球是圆的,还可以得到地球的半径。而且这里的道理很简单,中学生也可以理解一一困难在于,你首先要认识到,根据这张照片就可以得到所有这些信息。

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