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AI 草稿 · 未经人工核对。不要照此直接操作。欢迎核对来源、指出问题,再通过 PR 完善。

埃拉托色尼:用一根杆子的影子测地球半径

两个人在两个城市,同一天正午各量一次杆影,就能算出地球半径,误差能压到 5% 以内。

需要 两根直杆(扫帚柄、PVC 管、晾衣杆都行,长度 ≥ 1 m,越长约精确);卷尺(≥ 3 m);水平仪或手机水平仪 App;铅垂线(一根线 + 一个螺母);粉笔/胶带;两个相距 ≥ 300 km 的人;手机(对时 + 通信);晴天
时间 准备 1 天 + 测量 1 个正午 + 计算 1 小时(一个周末够)
花费 ¥0–100(杆子和卷尺家里多半有;没有就买,卷尺约 ¥20–40,PVC 管约 ¥10–20。具体型号价格待核实)
难度 ★★☆
验收 算出的地球半径落在 5800–7000 km 之间(真值约 6371 km,即误差 ≤ 10%)。做之前就写死这条。

为什么值得做

怎么做

核心原理:同一天正午,两地太阳高度角之差 = 两地纬度之差。知道两地大圆距离,就能按比例推出整个地球周长。

  1. 选两个点。 两人相距 ≥ 300 km,最好在同一经线附近(南北排列)。距离越远,角度差越大,误差越小。用手机地图量两地直线(大圆)距离,记下来,记为 D。
  2. 约好同一天。 选一个两人都晴天的日子。提前查两地天气。
  3. 对时。 约定"当地太阳正午"各自测。太阳正午 = 影子最短的那一刻,不是钟表 12:00。两人各自提前 20 分钟开始,每 2 分钟量一次影长,取最短的那次。
  4. 立杆。 杆子垂直地面。用铅垂线检查:从杆顶垂线,线应贴着杆身。地面用水平仪确认水平。杆子露出地面的长度记为 L,用卷尺量,精确到 mm。
  5. 量影。 影子末端到杆底的距离记为 s。同样精确到 mm。影子要落在平地上,别落在台阶或草丛里。
  6. 各测 3 次取平均。 两人都做。
  7. 算太阳高度角。 每地:tan(θ) = s / L,所以 θ = arctan(s / L)。用计算器或让 AI 算。
  8. 求角差。 Δθ = |θ₁ − θ₂|(单位:度)。
  9. 推地球周长和半径。
    • 周长 C = D × 360 / Δθ
    • 半径 R = C / (2π)
  10. 对照验收标准。 R 在 5800–7000 km 之间就算成功。

AI 可以怎么帮你

  1. 算大圆距离和角差。 你报两地经纬度,让 AI 算距离和预期角差,用来预判你的测量是否离谱。

    我在北纬 39.90°、东经 116.40°,我朋友在北纬 31.23°、东经 121.47°。请算两地大圆距离(km),并估算同一天正午太阳高度角之差(度)。给出计算过程。

  2. 把原始数据变成结果。 你把杆长、影长丢给它,让它算角度、周长、半径、误差。

    杆长 L1=1.500 m,影长 s1=0.412 m;另一地 L2=1.500 m,影长 s2=0.180 m;两地大圆距离 D=1067 km。请算两地太阳高度角、角差、地球周长、地球半径,并与 6371 km 比较误差百分比。逐步写。

  3. 诊断异常值。 结果偏得离谱时,让它帮你列出可能原因并排序。

    我算出地球半径 4200 km,明显偏小。两地距离 1067 km,角差算出 14.6°。请列出最可能导致半径偏小的 5 个原因,按可能性排序,并说明每个怎么检查。

  4. 生成测量记录表。 让它给你一张能打印的表格,避免现场乱记。

    给我做一张 A4 可打印的野外测量记录表,包含:地点、经纬度、日期、杆长、每 2 分钟一次的影长记录(共 11 行)、最短影长、计算出的太阳高度角、签名栏。用 Markdown 表格。

  5. 核对太阳正午时间。 让它帮你估算当地太阳正午大概在几点,方便你安排到场时间。

    我在东经 116.40°,时区 UTC+8。请估算今天当地太阳正午大约在钟表几点几分,并说明这个估算的误差来源。

算一下 / 会看到什么

一个真实量级的例子(数字是示意,你的会不同):

真值 6371 km,这个例子偏大约 11%,刚好卡在验收线外——说明影长量到毫米、两地尽量南北排列很关键。你实际做,目标是把误差压到 10% 以内。

你会看到:纬度差越大,两地正午影长差越明显。这就是"地球是弯的"最直接的证据。

坑

  1. 不是同一天。 两人日期差一天,太阳赤纬变了,角差就废了。必须同一天。
  2. 不是正午。 用钟表 12:00 测,东西方向的距离会污染结果。必须找影子最短那一刻。
  3. 杆不垂直。 杆歪 1°,影长就偏。用铅垂线,别用眼睛估。
  4. 两地东西排列。 两人几乎同一纬度、只差经度,正午太阳高度角几乎一样,角差趋近 0,算出来爆炸。尽量南北排列。
  5. 影长量到厘米级。 杆越长、影越长,相对误差越小。1.5 m 的杆比 0.5 m 的杆好得多。
  6. 地面不平 / 影子落在斜坡上。 影子要落在水平地面上。
  7. 拿"城市中心"当坐标。 两地距离要用你实际立杆的位置算,不是市中心。
  8. 忘了记录单位。 杆长和影长必须同一单位,全程用米。

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