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以下是aqdd对第60期Dr.You实验党问题:如何用便宜的设备验证地球是圆的?的回答。你也可以在论坛找到这个回答的帖子

古代中国人相信“天圆地方”,不过时至今日已经不会有人再相信这样的说法了,哪怕是随便问一个小学生,他都会告诉你“地球是圆”的。这似乎已经成了一个无需证明也无可辩驳的事实,可是几千年来人类对地球形状的认知却是经历了一段相当漫长而艰难的过程。

最先提出“地球是个球形”这一概念的是生活于公元前五、六世纪的古希腊哲学家毕达哥拉斯。不过,他之所以持有这种信念并非源于某种客观事实,仅是因为他觉得圆球在所有几何形体中最完美。后来,亚里士多德给出了“地球是个球形”的第一个科学证据:月食时月面出现的地影是圆形的。公元前3世纪,古希腊天文学家埃拉托斯特尼根据正午射向地球的太阳光和两观测地的距离,第一次算出地球的周长。公元2世纪初,我国天文学家张衡也提出了“浑天如鸡子(鸡蛋),地如子中黄(蛋黄)”的说法。公元726年,唐代天文学家一行和尚主持了中国历史上第一次大规模的官方(朝廷组织的)天文和大地测量活动,并利用北极高度和夏日日长计算出了子午线1度之长和地球的周长。但是直到16世纪初,随着葡萄牙探险家麦哲伦环球航海的伟大壮举,人类才第一次用实证的方法无可辩驳的证明了地球是球形的事。

不同假设下的海面

在麦哲伦的船队离开西班牙塞维利亚港时,当他看着港口那高耸的灯塔逐渐消失在海平面以下时不知他是否思考过一个问题:如果地球是个平面,那大海也应该是个平面,而且没有任何能阻隔视线的东西,这样不管麦哲伦的船队航行多远,只要一回头,他就必定能看到出发港口那明亮的灯塔(图1)。理论上说,他甚至可以看到远方任一方向上的海岸。然而事实却不是这样,随着船队离开港口,船上的人们回望港口时会发现,灯塔不但越来越小,位置也会越来越低,直到完全消失在海平面以下。人们的视线完全被凸出来的海面所遮挡,那些原本高出海面的陆地、港口、灯塔统统都看不见了,视线所及到处都是茫茫一片大海(如图2所示)。仅凭这一点麦哲伦先生在他开始环球航海的第一天其实就可以确定无疑的认识到地球原来真的是个“球”。

科学技术发展到现在,我们可以通过很多方法来证明地球是个球形,我们甚至可以坐上宇宙飞船到外太空看看我们的地球家园,或者像麦哲伦一样做一次环球旅行(现在我们可以坐飞机而不必坐船)。不过既然Dr.Who让我们用比较便宜的方法去证明,那我们就要开动脑筋好好想想了,观察月食、测量日影之类的方法虽然不用花什么钱,但都被前人用过,了无新意。我倒是想到了另外一种方法,至少在我查阅过的资料里还从没看见有人用过同样的方法来证明地球是个球形。

这个实验并不复杂,开销不大,原理也很简单,只要具备基本的物理和几何知识都能看懂并理解。这个实验需要一支激光笔、一面质量较好的镜子、一把直角尺、一些尼龙丝线、三个铅锥(可用铁块等重物代替),还需要一些角铁和铁丝来制作支架。我大概算了一下,总花费也就是100元左右吧。

实验装置图

下面我就来具体讲解一下我设计的这个实验:

如图3所示,实验用具由两个支架组成,其中A支架上那根蓝色的线和下面的箭头代表尼龙丝线和一个铅锥,它们共同组成了一个标准铅垂线。铅垂线上固定的那个黄色物体是激光笔,就是多媒体教室里老师用的那种,在玩具店也能买到类似的东西。激光有个很好的特点就是发散性小,你把激光打到一个很远的物体上,它所产生的光点依然很小且清晰可辨,是一种很接近平行光的光线。我们就是利用激光的这种特性来完成我们的实验的,所以一定要买一只质量很好的激光笔,这点很重要。图中黑色的部分当然就是支架了,而那个白色的三角形物体是一把直角尺,它的作用是让激光笔,准确的说是让激光光束处在精确的水平状态。B支架和A支架类似,只是用了两根铅垂线,灰色的椭圆形物体代表镜子。这面镜子固定在铅垂线上使其完全垂直于水平面。用两根铅垂线没有什么特殊的目的,只是让镜子不会来回转动,你也可以用镜子代替铅锥直接吊在尼龙丝线上,让镜子本身变成铅垂线的一部分。具体怎么制作并不重要,重要的是让镜子垂直。

实验原理示意图

接下来我解释一下这个实验的目的。由于地球引力的存在铅垂线都垂直的指向地面,在我们的肉眼看来似乎都相互平行,建筑工人甚至用两根铅垂线来测量楼房上下是否等宽,这在精度要求不是很高的测量中是可行的,但从原理上讲其实没有任何两根铅垂线之间是绝对平行,所有的铅垂线都是指向地心,它们的虚拟延长线最终将会在地心处汇聚成一个点(如图4所示)。而我们实验的最终目的就是为了要证明这一点。只要能够证明地球上任意两点上的铅垂线之间都不平行,且方向都向同一点汇聚,就能证明地球的确是个“球”。另外使用铅垂线还有个好处就是无论你在什么地方做这个实验,也无论地面是否平整支架是否垂直,即便出现图4所画的那种高山陡坡的极端情况(我画的有些夸张,只是为了让大家看清楚),铅垂线也依然能够准确无误的指向地心。

好了,现在万事俱备,只欠行动了。让我们找一个晴朗无风的夜晚,寻一块平整的开阔地,或是广场上(要注意安全哦)开始我们这次有趣的实验吧。

这个实验至少需要两个人参与,其中一人将支架A摆放到广场的一端(a地点),打开激光笔并再次用直角尺调整激光光束与铅垂线之间的垂直,要细心,要保证最高的精确度。调整好后将光束射向广场另一端。这时另一人拿着支架B循着光束的方向走到广场另一端(b地点),同样也要细心调整镜子使其紧贴铅垂线,保持与地平线的绝对垂直。镜面调整好后再仔细调整支架B的摆放位置、高度和方向,要使镜面正对a地点,并让激光束正好照射到镜子上。再次调整支架B的方向,让反射的激光束能正好返回到原位,也就是a地点。反射回来的光束能否准确回到原位并不十分重要,但至少要保证大概的位置,让a地点上的人能同时看到射出去的激光和返回来的激光就行。a点上的人拿张白纸,让反射回来的激光束照射到白纸上,并对比激光笔与白纸上光斑的高度差。实验完毕。

实验效果示意图

这个实验要证明什么?我来解释一下实验原理。根据几何学上平行线定律,一条穿过平行线的直线与每一条平行线之间的夹角都相等。如图5所示,如果A点与B点上的两根铅垂线是相互平行的,那么垂直于A铅垂线的激光束也一定垂直于B铅垂线,从A点射出的激光与从B点反射回来的激光将在同一条直线上,不会有任何夹角。相反,如果从B点返回的激光和从A点射出的激光不在同一条直线上(如图6所示),那就能证明A点与B点上的两条铅垂线之间并不平行。根据三角形原理,如果激光的落点比出点位置高,那就证明两条铅垂线之间的汇聚夹角在下面,在A点与B点距离不变的情况下,落点与出点之间的高度差越大就说明汇聚夹角越大,汇聚点也越近;相反高度差越小就说明汇聚角越小,汇聚点也就越远。将这个实验在东南西北各个不同方位重复多次,保证每次实验A点与B点之间的距离都相等,如果每次对比激光的落点都比