内容概述
泰勒斯在埃及时利用影子测量金字塔高度,赢得赞誉。关于这件事有两个版本:较早的版本由亚里士多德的学生耶洛尼姆斯讲述,说泰勒斯在自身影子与身高等长时测量金字塔影长;较晚的版本由普卢塔克讲述,说泰勒斯立了一根木棍,利用“金字塔高与棍高之比等于金字塔影与棍影之比”来求解。两个版本都忽略了一个现实困难:如何获得金字塔影子的实际长度(即从影子顶点到塔底中心的距离)。由此引出“泰勒斯疑难”:设计一种仅基于影子观测和相似三角形、且不依赖纬度和具体时间的方法来确定金字塔高度。原书图 4 提示可用相隔数小时的两次影子观测来解决。
中文正文
31° 泰勒斯疑难
据说泰勒斯在埃及住过一段时间,他根据影子来计算金字塔的高度,赢得了赞誉。故事有两个版本。较早的一个是亚里士多德的学生耶洛尼姆斯(Hieronymus)讲的。故事说,泰勒斯在自己的影子和自己的身高一样时,发现了金字塔影子的长度。后来的故事是普卢塔克(Plutarch)讲的,说泰勒斯立了一根木棍,而且发挥了下列事实:“金字塔的高度与木棍高度之比,等于金字塔的影子与木棍的影子之比。”两个故事都没提到一个很现实的困难:如何在那两种情形下获得金字塔影子的长度(从影子的顶点到塔底中心的距离)。
这个难题引出所谓的泰勒斯疑难:在影子观测和相似三角形的基础上,找一个方法来确定金字塔的高度。图 4 提出了一个解决办法(读者也许有兴趣来完成它),它需要观测两个相隔若干小时的影子。
英文正文
31° The Thales puzzle. It has been reported that Thales resided for a time in Egypt, and there evoked admiration by calculating the height of a pyramid by means of shadows. Two versions of the story have been given. The earlier account, furnished by Hieronymus, a pupil of Aristotle, says that Thales noted the length of the shadow of the pyramid at the moment when his own shadow was the same length as himself. The later version, given by Plutarch, says that Thales set up a stick and employed the fact that “the [height of the] pyramid was to the [length of the] stick as the shadow of the pyramid to the shadow of the stick.” Both of these versions fail to mention the very real difficulty, in either case, of obtaining the length of the shadow of the pyramid (that is, the distance from the apex of the shadow to the center of the base of the pyramid).
The above unaccounted-for difficulty has given rise to what might be called the Thales puzzle: Devise a method, based on shadow observations and similar triangles and independent of latitude and specific time of day or year, for determining the height of a pyramid. Figure 4 suggests a solution—that the reader may care to complete—requiring two shadow observations spaced a few hours apart.
相关题目
- 题目:Devise a method, based on shadow observations and similar triangles and independent of latitude and specific time of day or year, for determining the height of a pyramid.(设计一种仅基于影子观测和相似三角形、且不依赖纬度和具体日期时间的方法,来确定金字塔的高度。)
- 提示:Figure 4 suggests a solution—that the reader may care to complete—requiring two shadow observations spaced a few hours apart.(原书图 4 提示了一种可用两次相隔数小时的影子观测完成的解法。)
- 解答或证明:原书未给出完整解答,仅通过图 4 提出思路,留待读者完成。
我们可以从故事中思考什么
- 为什么两个版本的故事都忽略了“金字塔影子长度”这个现实困难?
- 如何利用相似三角形测量一个无法直接到达的高度?
- 如果要避开“必须让影子与身高等长”的限制,可以怎样改进方法?
- 实际测量中,理想化模型与真实数据之间常常存在什么差距?
核心知识点讲解:相似三角形与影子测量
选择理由
故事的核心是泰勒斯利用影子和比例关系测量金字塔高度,并由此引出“泰勒斯疑难”。相似三角形是连接故事与数学的桥梁,也是解决这类测量问题的关键工具。
概念介绍
相似三角形是指对应角相等、对应边成比例的两个三角形。如果两个三角形相似,那么它们的对应高、对应中线、对应角平分线等也成相同比例。利用这一性质,可以通过测量容易获取的长度来推算难以直接测量的高度或距离。
具体内容
- 相似三角形的判定:
- 两角对应相等(AA); - 三边对应成比例(SSS); - 两边成比例且夹角相等(SAS)。
- 泰勒斯方法的原理:
- 当太阳光线平行时,金字塔及其影子构成一个大直角三角形; - 木棍及其影子构成一个与之相似的小直角三角形; - 因此:金字塔高度 / 木棍高度 = 金字塔影长 / 木棍影长。
- 泰勒斯疑难的难点:
- 金字塔影子的“顶点”并不在塔底中心,而是延伸到塔外; - 需要测量从影子顶端到塔底中心的距离,这并不直接可得; - 原书提示用相隔数小时的两次观测,通过影子方向的变化来定位塔底中心。
- 现代意义:这种思想是摄影测量、遥感测高的雏形。
应用场景
- 测量建筑物、树木、旗杆等不易直接到达的高度;
- 地图测绘与遥感;
- 天文学中利用视差测距(也是相似三角形思想)。
与生活的联系
学生可以用一根已知长度的木棍和自己的影子,估算教学楼或大树的高度。理解相似三角形后,许多日常测量问题都可以用简单工具解决。
主要思想方法与延伸讨论
主要思想方法
- 数形结合:用比例关系把几何问题转化为代数计算;
- 模型化:把实际物体抽象为三角形;
- 理想化与现实化的对照:指出传统解法忽略的实际困难。
延伸讨论
- 如果要设计一个完整的“泰勒斯疑难”解法,你会选择哪两次影子观测?为什么?
- 在没有太阳的日子里,还能用什么方法测量金字塔高度?
- 现代 GPS 和激光测距如何替代或改进了古代的影子测量法?
- 数学史故事中常常混杂传说与史实,我们应如何辨别?