阿基米德與圓柱容球

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中數(shù)學 來源: 高中學習網(wǎng)

  阿基米德(Archimedes)于公元前287年出生在意大利半島南端西西里島的敘拉古 高中生物,公元前212年于同地被害。

  近代數(shù)學史家倍爾(Eric Temple Bell,1883~1960)曾說過:"任何一張關(guān)于有史以來最偉大的數(shù)學家的名單中,必定會包括阿基米德。另外兩個通常是牛頓和高斯。不過,以他們的豐功偉績和所處的時代背景來對比,拿他們影響當代和后世的深邃久遠來比較,還應首推阿基米德。"

  阿基米德發(fā)現(xiàn)了杠桿原理和浮力原理。

  本書第23段記述的是阿基米德利用排開液體的體積來測量王冠的體積,從而判斷皇冠是否由純金制成的故事。

  傳說在阿基米德晚年,在敘拉古與它的盟國羅馬共和國分裂后,羅馬派了一支艦隊來圍城。當時阿基米德負責城防工作,他設(shè)計制造了一些靈巧的機械來摧毀敵人的艦隊。他用投火器將燃燒的東西彈出去燒敵人的船艦,用一些起重機械把敵人的船只吊起掀翻,以至后來羅馬人甚至不敢過分靠近城墻,只要看見城墻出現(xiàn)象繩子之類的玩意兒,就嚇得趕快逃跑。

  然而三年以后,即在公元前212年,該城還是被攻陷了。

  據(jù)說羅馬兵入城時,統(tǒng)帥馬塞拉斯出于敬佩阿基米德的才能,曾下令不準傷害這位賢能。而阿基米德似乎并不知道城池已破,又重新沉迷于數(shù)學的深思之中。

  一個羅馬士兵突然出現(xiàn)在他面前,命令他到馬塞拉斯那里去,遭到阿基米德的嚴詞拒絕,于是阿基米德不幸死在了這個士兵的刀劍之下。

  另一種說法是:羅馬士兵闖入阿基米德的住宅,看見一位老人在地上埋頭作幾何圖形(還有一種說法他在沙灘上畫圖),士兵將圖踩壞,阿基米德怒斥士兵:"不要弄壞我的圓!"士兵拔出短劍,這位曠世絕倫的大科學家,竟如此地在愚昧無知的羅馬士兵手下喪生了。

  馬塞拉斯對于阿基米德的死深感悲痛。他將殺死阿基米德的士兵當作殺人犯予以處決,并為阿基米德修了一座陵墓,在墓碑上根據(jù)阿基米德生前的遺愿,刻上了"圓柱容球"這一幾何圖形。

  隨著時間的流逝,阿基米德的陵墓被荒草湮沒了。后來,西西里島的會計官、政治家、哲學家西塞羅(公元前106~前43年)游歷敘拉古時,在荒草發(fā)現(xiàn)了一塊刻有圓柱容球圖形的墓碑,依此辯認出這就是阿基米德的墳墓,并將它重新修復了。

  阿基米德為什么希望在自己的墓碑上刻上圓柱容球的圖形呢?這是因為,阿基米德在他的許許多多的科學發(fā)現(xiàn)當中,以圓柱容球定理最為得意。

  圓柱容球定理是這樣的:

  圖中所示的圓及其外切正方形繞圖中由虛線表示的對稱軸旋轉(zhuǎn)一周生成的幾何體稱為圓柱容球。在圓柱容球中,球的體積是圓柱體積的 ,球的表面積也是圓柱全面積的。  

  在今天看來這個定理不難證明。事實上:

  設(shè)圓的半徑為R,球的體積與圓柱的體積分別為V球及V柱 ,球的表面積與圓柱的全面積分別為S球及S柱,則有

      

      

      S柱=側(cè)面積+上下底面積

        

        

      

  但是在阿基米德之前,人們還不知道球的面積公式和體積公式。正如A·艾鮑博士在《早期數(shù)學史選篇》中所說的:如果說歐幾里德《幾何原本》是前人工作的匯編的話,那么,阿基米德的每一篇論文都為數(shù)學知識寶庫作出了嶄新的貢獻。

  尤其令人驚嘆的是,阿基米德對于圓柱容球定理的證明,用的竟是從杠桿原理開始談起的力學方法!


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