泰尔斯(5)〈科学之父〉 江铭辉 五梦网
(5) 两三角形,它们的“两角夹一边”若分别相等,则两三角形全等
尤德莫斯在〈几何学史〉中,将这定理的证明归功于泰尔斯,并说他利用这定理测出从船只到岸边的距离。至于怎么测法?尤德莫斯没有叙述。数学史家们作过多种猜测,其中有一种猜测如下:
如图12,为求岸上A点到船舶B点之距离,我们延着A,作AB之任意长度之垂线AC,并取AC的中点D。
在C作一线CE垂直于AC,方向与AB相反,延长至一点E,使E、D、B三点共线。
则因为AD=DC,且∠ADB=∠EDC,所以直角三角形ABD与直角三角形EDC全等。所以CE与AB等长。
图12:泰尔斯利用两三角形全等的定理测出船舶离岸的距离
四、测出金字塔的高度
泰尔斯另一项为人津津乐道并备受赞扬的成就,是他在埃及旅游时,不用许多测量工具,仅仅在金字塔影子的端点处树立一根柱子,借助太阳的光线,利用两个相似三角形的比例关系,测出金字塔的高度。赢得埃及二十六王朝法老亚默士二世(AhmoseⅡ,在位公元前570-526)龙心大喜,赞赏不已。这件事最早由亚理斯多德的徒弟海隆尼莫斯(Hieronymus,公元前4-3世纪)记载,罗马学者普利尼(Pliny,公元23-79年)也有类似的说法。
泰尔斯所使用的方法如下:
如图13,泰尔斯利用金字塔与塔的影子所形的大三角形ABD和柱子与柱影所形成的小三角形DCE是相似三角形。
在这种情形下,用AB代表金字塔的高度,CD代表柱的长度,BD是金字塔的塔影,DE是柱影。所以我们得到:
AB/BD= DC/DE..............(1)
泰尔斯事先测出BD、DC与DE的长度。再利用(1)式算出:
AB=(DC´BD )/DE
也就是说,金字塔的高度=5=柱高´金字塔的塔影/柱影
图13:泰尔斯测量金字塔的高度
(五) 发现天然磁石能吸铁
有一种铁矿,它能吸铁,就像慈母恋子一样,中国人称它为「磁石」,磁石的吸铁力量称为磁力(图14)。
图14:天然磁石可吸引铁
至于西方,“磁”(Magnetic)一词的由来,系因在古希腊时,磁石产于小亚细亚的美格尼西亚(Magnesia)而得名的。今日,虽然大多数的人认为磁石是由一位牧羊人在牧羊时无意中发现的,但传说中泰尔斯也是早期许多发现「天然磁石能吸引铁块」的其中之一人。在古希腊,灵魂是有生命,泰尔斯为尝试解释磁铁为什么能吸引铁块,给予无生命物质也附予灵魂,他说:「磁铁是有“灵魂”的,所以才能吸引铁块。」磁铁的神奇力量不只是吸住铁罢了,它还有两性,若将一条磁棒悬起,它会指向地球南北方向,通常我们将指向北极方向的一端称为N极,另一端会指向地球的南极,我们称之S极(如图15)。
图15:悬在空中的磁铁会指向地球的南、北方向。指向北极的称为N极。
为什么会有这种现象呢?在发现磁铁的时代并无法解释清础,英国人吉尔伯特(William Gilbert,1540~1603年)(图16)最先想到地球大概也是一块大磁石。
图16:吉尔伯特(英国人,公元1540~1603年)原来是医生,曾担任英国女王伊丽莎白的御医。
1600年发表〈论磁〉一书,叙述了他在电学和磁学方面的研究工作。在磁学方面,他发现地球本身是一个巨大的磁体,在电学方面,他发现琥珀、玻璃等物质摩擦后皆能吸引轻小物体,将它命名为电(electron)。
为了要用实验来证实这个构想,他以天然磁石为材料制作了一个类似地球的球形磁石。然后试着把小磁针接近这个圆磁石,磁针竟然立刻指向球形磁石的磁极方向。简直就像是在地球上磁针指向地球的磁极一样。这个简单的实验证明了地球是一块大磁石,它以南、北两极为磁极。事实上,地球的南极、北极(即地球的自转轴的南、北两端)和地球磁场的南、北极是稍微不同的(如图17)。
图17:地球自转的南北极和罗盘的磁针所指的南北方向稍微不同。
此外,磁石同时还有一种特性,那就是同性极相斥,异性极相吸。也就是说,假如磁石的N极接近另一磁石的N极,它们之间会产排斥力。同样地两个S极之间也有排斥力存在,但一个N极与一个S极之间的力是吸引力(图18)。
图18:磁石有同极相斥,异极相吸的特性。
(七) 发现摩擦后的琥珀能吸引轻微的物体
除了发现磁石能吸引铁块外,泰尔斯也用布摩擦一种称为琥珀的透明树脂化石,他发现被摩擦的琥珀有吸引轻微物体的能力。这是历史上第一个发现摩擦生电的例子。琥珀的英文名叫electron,今日英文的electricity(电)是从electron一词演变而来,但这个名词并不是泰尔斯所取的,它是吉尔伯特在研究物体摩擦生电后,所取的名词。至于中文的“电”字,则来自篆书,它表示闪电的形状。除了摩擦后的琥珀可吸引轻微的物体外,吉尔伯特更进一步发现,毛皮摩擦橡胶棒、丝绢摩擦玻璃棒,也有吸引轻微物体的能力。今日人们已知道这完全是静电摩擦的现象。当两物体互相摩擦后,一个物体会失去电子成为带正电荷的物体,另一个物体会获得电子成带负电荷的物体(图19)。带不同电荷的两物体将会互相吸引,带相同电荷者,将互相排斥。
图19:毛皮摩擦橡胶棒,会互相吸引,因为两者摩擦后,毛皮会失去电子带正电,橡胶棒会获得电子带负电。