林怀安拿着马文冲记录的数据:
基线长度S≈30.2米(估测),在A点测得仰角α≈38.5度(估读),在B点测得仰角β≈31.2度(估读)。他尝试代入胡教员给的公式:
设楼高为h,A点到楼底水平距离为d1,B点到楼底水平距离为d2。则有:
h =* tan(α)
h =* tan(β)
且-= S (假设A、B、楼底在一条直线上,且A点更近)。
联立可解,但需要计算tan(α)和tan(β),然后解方程组。
林怀安拿出计算尺,开始笨拙地拉动着滑尺,寻找对应的正切值。
计算尺的精度有限,读起来也费劲。他瞥了一眼旁边的马文冲,他正在一张纸上列着算式,用的是对数表,步骤也很繁琐。
刘明伟干脆放弃了,眼巴巴地看着他们算。
“不对……总觉得……有点麻烦。”
一个念头忽然从林怀安脑海中冒了出来。
这方法固然经典,但需要两个测站,测量两次角度,计算过程也复杂,而且对基线的测量精度和两个测站与楼底是否严格共线要求很高,稍有偏差,结果误差就会很大。
有没有更简单点的办法?郝楠仁的记忆碎片中,似乎有一些关于测量、关于简化计算的模糊印象……
他盯着眼前高大的箭楼,又看看脚下测量用的皮尺,再看看手里的简易经纬仪。
阳光将箭楼的影子斜斜地投射在地上,轮廓清晰。忽然,一个极其简单、几乎不需要复杂计算的方法,如同电光石火般,在他脑海中闪现!
这个方法,源于一个简单的相似三角形原理,甚至……只需要一次观测,一个距离测量!
他心脏猛地一跳,抬起头,看向正在巡视各组的胡教员,欲言又止。
这个方法太简单了,简单到让人觉得“这能行吗”?
会不会是自己想错了?
在数学上,他一向缺乏自信,尤其是经历过月考的挫败之后。
然而,那个念头是如此清晰,逻辑链条在他脑海中飞快地形成、验证。
他看了看周围同学,都还在埋头与复杂的公式和计算尺、对数表搏斗。
一种混合着冲动与不确定的情绪攫住了他。
胡教员正好踱步到他附近,看到林怀安拿着纸笔发呆,以为他被难住了,便开口道:
“林同学,可是卡在计算上了?莫急,一步步来,先查正切表……”
“胡先生,”
林怀安深吸一口气,鼓起勇气,声音不大,但足够清晰,“学生……学生想到一个或许更简便的法子,不知……是否可行?”
“哦?”
胡教员停下脚步,有些意外地看着这个平时在数学课上并不出众,甚至在月考中表现不佳的学生,“更简便的法子?说说看。”
他的语气里带着鼓励,也有一丝探究。
附近几个组的同学也被吸引了注意力,抬起头望过来。
林怀安定了定神,捡起一块石子,在相对平整的泥土地上一边画,一边解释道:
“先生请看,我们可否如此:只在一个测点,比如就这里,A点。”
他在地上点了一个点A,“我们用经纬仪,测出箭楼顶端C的仰角,记为α,这个和之前一样。”
他画了一条水平线代表地面,在A点画了一条斜线AC指向想象中的楼顶C,标出仰角α。
“然后,关键在这里,”
林怀安在水平线上,从A点朝着箭楼反方向(即远离箭楼的方向)量出一段距离,走到另一个点d,使得当我们站在d点,看向箭楼顶端C时,仰角恰好是……” 他停顿了一下,说出那个关键的数字,“恰好是刚才仰角α的一半!
也就是说,在d点测得仰角为 α/2。”
他在水平线上标出了d点,连接d和C,标出仰角为α/2。
“先生,各位同学,请看,”
林怀安的声音因为兴奋和紧张而微微提高,“如果我们能精确找到这个d点,使得 ∠AdC = α/2,那么,根据平面几何的定理,在三角形AdC中,如果 ∠dAC = α,∠AdC = α/2,那么……”
他故意停顿,看向胡教员。
胡教员的眉头皱了起来,盯着地上的简图,手指无意识地在空气中比划着,喃喃重复:“∠dAC = α,∠AdC = α/2…… 那么,三角形AdC是……等等!” 他眼中骤然爆出一团精光,“等腰三角形! 对!如果三角形AdC中,∠dAC = α,∠AdC = α/2,那么第三个角 ∠ACd = 180° - α - α/2 = 180° - (3α/2)……
但这不重要!重要的是,如果它是等腰…… 不,等等,我们需要的对应边……”
林怀安见胡教员已经进入状态,便不再卖关子,直接点破:
“先生,根据‘三角形外角等于不相邻两内角之和’,我们可以考虑三角形ABd,其中B是楼底垂直落地点。
但实际上,我们有更直接的关系:
如果我们能证明,当∠AdC = α/2 时,距离等于楼高 h ?”
“不,不对……”
胡教员飞快地心算着,忽然猛地一拍大腿,“我明白了! 根本不需要复杂证明!看你这图,A、d、C,如果我们从C点向地面作垂线,垂足B。
在直角三角形ABC中,AB是水平距离,BC是楼高h,我们有 tan(α) = h / AB。”
“再看直角三角形dBC,dB是水平距离,我们有 tan(α/2) = h / dB。”
“而= AB - dB!”
胡教员越说越快,眼睛越来越亮:
“如果,如果我们能找到这个d点,使得仰角恰好是α的一半,那么我们只需要测量出A点到d点的距离,也就是Ad的长度!
然后,楼高 h =乘以一个系数,这个系数是……”
他立刻蹲下身,捡起一块尖石,在旁边空地上飞快地列起算式。
周围的学生,包括马文冲、刘明伟,还有其他组的同学,都好奇地围拢过来,看着这一老一少在地上写写画画。
胡教员写着:设楼高h,A点水平距离AB = L,d点水平距离dB = m,Ad = L - m = S(我们测量得到的这段距离)。
已知: tan(α) = h / L => L = h / tan(α)
tan(α/2) = h / m => m = h / tan(α/2)
所以 S = L - m = h [ 1/tan(α) - 1/tan(α/2) ]
“这里需要用到半角公式,” 胡教员边写边说,“ tan(α/2) = sinα / (1+cosα) …… 代入,化简……”
他演算的速度很快,但步骤清晰。
林怀安在一旁看着,心中暗赞,胡教员的基本功果然扎实。
他自己是因为郝楠仁记忆中有这个“一步法”的模糊印象,知其然,而胡教员是立刻在现场推导,知其所以然。
片刻,胡教员抬起头,脸上带着难以置信的惊喜和激动,声音都有些发颤:
“简化后…… h = S * tan(α/2) !
天哪!
如此简单!
只需要测量一次仰角α,然后向后走,找到仰角变为α/2的那个点d,测量A到d的距离S,然后楼高h就等于S乘以tan(α/2)!”
他猛地站起来,目光灼灼地盯着林怀安:
“林怀安!
你这法子…… 你这法子妙啊!
大大简化了操作!
只需要一个测站,一次角度测量,再量一段地面距离S即可!
而且,S是直接在地面上量的,比测量到楼底的水平距离容易得多,也准确得多!计算也简单,只需要查一次 tan(α/2) 的值,做一个乘法!”
周围的学生们虽然未必完全跟上推导,但听到胡教员如此激动的肯定,也明白了林怀安想出的办法似乎非常巧妙、高效,看向林怀安的目光顿时充满了惊讶和钦佩。
这个平时在数学上并不显山露水,甚至有些吃力的同学,竟然能想出连教员都称赞不已的妙法?
马文冲眼中异彩连连,抚掌道:
“妙哉!化繁为简,直指核心。
怀安兄此法,颇得‘大道至简’之妙!
省却一次角度观测,免去基线测量与共线之苛求,实为巧思!”
刘明伟更是兴奋地拍着林怀安的肩膀:
“怀安哥!你真行啊!这下可露脸了!”
林怀安被大家看得有些不好意思,尤其是胡教员那炽热的目光,让他脸颊微微发烫。
他连忙道:
“学生也是偶然想到,不知是否确实可行,还需实践验证。”
“验证!当然要验证!”
胡教员大手一挥,兴奋之情溢于言表,“来,就用你这个法子,咱们当场验证!”
他立刻指挥起来。
让林怀安所在小组重新架设仪器,在A点(胡教员选定的原第一个测站位置)仔细测量箭楼顶端的仰角α。
这次,因为只需测一个角,大家格外认真,反复瞄准,最终取得一个相对可靠的读数:α ≈ 38度18分(38.3度)。
然后,就是关键的一步:在A点之后(远离箭楼的方向),寻找那个仰角恰好为α/2 ≈ 19度9分(19.15度)的d点。
这需要一人扶着经纬仪在A点不动,另一人扛着标杆在后方移动,直到经纬仪瞄准标杆顶端时,垂直度盘读数恰好为α/2。
这是个精细活,需要耐心。
胡教员亲自操作经纬仪,让刘明伟扛着标杆,在他的指挥下一点点向后移动、调整。
“左一点…… 再往后一点…… 好!停!就是这里!标定!”
胡教员大声指挥着。
当标杆位置最终确定,刘明伟气喘吁吁地站在原地,用脚在地上划了个记号作为d点。
接着,用皮尺仔细测量A点到d点的距离S。
这次测量是在近乎水平的直线上进行,比之前测量基线到楼底的“斜距”容易得多,精度也高。
反复测量三次,取平均值,得到 S ≈ 16.85 米。
“好!数据都有了!”
胡教员拿着记录的数据,满脸红光,“α ≈ 38.3度,α/2 ≈ 19.15度,S ≈ 16.85米。
现在,查表, tan(19.15度) 是多少?”
马文冲早已准备好三角函数表,迅速查找:“ tan(19°9′) … 约等于 0.3473。”
“计算 h = S * tan(α/2) = 16.85 * 0.3473 …” 胡教员拿出随身携带的怀表式小计算尺,飞快地拉动着,“结果大约是…… 5.85米?
不对,这太小了……等等,单位?
哦,S是16.85米,乘以0.3473,大约是5.85米。
这显然不对,箭楼岂止五六米高?”
众人一愣。
林怀安也心里一紧。
难道方法错了?