1. 问题的提出:

    我国《九章算术》中有“引葭赴岸”问题,其译文为:今有正方形水池边长为1丈,芦苇生长在水的中央,长出水面的部分为1尺. 将芦苇向池岸牵引,恰巧与水岸齐接,问水深、芦苇的长度是多少?

    “引葭赴岸”问题,我们现在通常的解法是设未知元,列方程组求解.

    如图1,在正方形ABMN中,DE=1,AC=DC,AB=10,E,C为AB,MN的中点.

   

    图1

    设,,则在Rt△AEC中,,即,所以尺,芦苇的长为13尺.

    我国古代数学家刘微,巧妙的运用勾股定理解决测量芦苇的高度,并给出了本问题的公式解:“以此池方半之,得五尺为勾,水深为股,葭长为弦,以勾及股弦差求股弦;故令勾自乘,先见矩幂也,出水者,股弦差,减此差于矩幂则余之,倍差为此幂之广,令此幂除倍出水二尺为广,故得水深也. ”设勾(池半)为a,股(水深)为b,弦(葭长)为c,则公式解可表示为.

    上述“引葭赴岸”问题,因为“水池边长AB”已知,所以利用勾股定理可以顺利求解,若是池边到芦苇的距离不知呢,即

    问题:如何测量底部不可到达的建筑物的高?

 

    2. 问题解决的依据:

    对于这类问题,由于建筑物不能移动,且其底部不能到达,如果只选择一个测点,则只能测得一个角,问题不能得到解决,所以一般选取两个或更多的测点,利用正弦定理、余弦定理中边与角的关系加以解决. 若所求距离(建筑物的高等)较大,往往利用布设“三角网”的方法逐一解决,其设的点越少越好.

 

    3. 问题的解决:

    设AB为所测量建筑的高.

    

     图2

    一般地,如图2,选位置C对高进行测量,可测得点A的仰角为. 再选一测点D,在△BCD中,可测得.

    在△BCD中,由正弦定理,可得,得.

    在Rt△ABC中,可得.

    具体地,利用上述方法,可以测量北京故宫的四角上的角楼的高度. 如利用相应的仪器测得,其中测量仪器高为1.5米,可计算得角楼的高为AB+1.5=26.3+1.5=27.8米.

   

    图3

    特殊地,如图3,在B,C延长线上再选一测量点D,在C,D两点测得点A的仰角分别为,且CD=m.

    在△ACD中,.

    由正弦定理,可得,得.

    在Rt△ABC中,.

    具体的,如图,勘探队员朝一座山行进,前后两次测得同顶点的仰角分别为,两个测点之间的距离为200m,求此山的高度. (测量者高度忽略不计,精确到0.1m)

    解:由题意,,所以.

    即此山的高度约为273.2m.

 

    4. 问题的进一步延伸:

    特殊地,若AB不是建筑物的高,而是平面上两个不能到达的地方之间的距离呢?如,设A,B是两个岛屿,如何测量它们之间的距离呢?如图4.

图4

    解:类比解决上述问题的方法,在海边适当选取两个测点C,D,使A,B,C,D四点在一个平面上. 可测得.

    在△BCD中,由正弦定理,可得,得.

    在△ACD中,,由正弦定理,可得,得.

    在△ABC中,由余弦定理可得,

    把BC,AC代入上式即可求出AB.

    作者:董 武

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数学中的测量

图文简介

今有正方形水池边长为1丈,芦苇生长在水的中央,长出水面的部分为1尺. 将芦苇向池岸牵引,恰巧与水岸齐接,问水深、芦苇的长度是多少?