理论教育 聪明乌鸦的几何学故事

聪明乌鸦的几何学故事

时间:2023-11-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:小学课本里通常会有一个故事,与一只聪明的乌鸦有关。最后,乌鸦想到一个好办法,找了一些小石头,将它们扔进瓶子里。这里,我们没有必要去讨论这只乌鸦是否真的如此聪明,我们感兴趣的只是故事中的几何学知识。假设瓶子里水的高度恰好为瓶子的一半,这只乌鸦能否喝到水?假设这只乌鸦足够聪明,它会摇动瓶子,使里面的石块挨得更紧,水面完全有可能升高到原来的2倍,但这根本不可能。

聪明乌鸦的几何学故事

小学课本里通常会有一个故事,与一只聪明的乌鸦有关。这个故事是这样的:有一只乌鸦,它在口渴的时候找到一个细瓶子,但是瓶子里的水不多,它的嘴又没有办法伸进瓶子里。最后,乌鸦想到一个好办法,找了一些小石头,将它们扔进瓶子里。结果,瓶子里的水升高了,它喝到了水。

这里,我们没有必要去讨论这只乌鸦是否真的如此聪明,我们感兴趣的只是故事中的几何学知识。我们来看下面的问题。

【问题】假设瓶子里水的高度恰好为瓶子的一半,这只乌鸦能否喝 到水?

【解答】通过解答这个问题,我们会知道,如果采用乌鸦的方法,并不是任何水量的水都能喝到。

为了使问题更简单,我们假设这个瓶子的形状为方柱体,投进去的石头都是大小相同的球体,则不难得出,瓶子里水的体积大于投进瓶子里的石头空隙的体积,只有这样,瓶子里的水才会没过石头。也就是说,水会把石头的空隙全部填满,并且剩下多余的一部分,可以没过石头。

接着,我们来计算一下,这些空隙究竟占了多大体积。要想计算空隙的体积,最简便的方法是假设每块石头的圆心正好在一条竖直线上,换句话说,石头上下垂直摆放在一条直线上。假设每块石头的直径为d,则它的体积为,而跟它外切的立方体的体积为d3,它们的差为,即这个外切立方体中没有被石头占据部分的体积。它们的比值为:(www.daowen.com)

由此可知,在每个外切立方体中,没有被石头占据部分的体积占整个体积的48%。也就是说,瓶子里面所有空隙体积的总和,小于瓶子容积的一半。如果瓶子不是方柱体,石头也不是球形,对答案不会产生任何影响。无论在什么情况下,我们都可以肯定一点,如果瓶子里最开始的水量不到瓶子容积的一半,那么不管这只乌鸦投多少石头,瓶子里面的水都不可能升到瓶口。假设这只乌鸦足够聪明,它会摇动瓶子,使里面的石块挨得更紧,水面完全有可能升高到原来的2倍,但这根本不可能。因此,最符合实际的情况就是,石头堆积得比较松散,而且,通常而言,盛水的瓶子都是中间粗,两头细,水面升高的程度就会降低。所以,我们几乎可以肯定地说,如果瓶子里的水只是一小半,乌鸦再聪明,也不可能喝到瓶子里的水。

【注释】

[1]阿基米德(公元前287—前212年),古希腊哲学家数学家和物理学家。

[2]杰克·伦敦(1876—1916年),美国著名的现实主义作家,代表作品有《马丁·伊登》和《野性的呼唤》等。

[3]1英亩≈4 046.856平方米。

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