多才多藝阿基米德

文/林原宏(國立臺中教育大學數學教育學系教授)、

李英(數學教育文教工作專任老師)

 

  小朋友,你最喜歡做什麼事?喜歡到會讓你廢寢忘食,喜歡到無時無刻都想與它為伴!今天要講一個瘋狂喜愛數學、喜愛思考的數學大師—阿基米德(Archimedes,西元前287年~西元前212年),古希臘時期成就最高的數學家、物理學家、天文學家、工程師及大發明家。

 

生平

  阿基米德出生於希臘西西里島東南端的敘拉古城,家境富裕。父親是一位天文學家,從小非常重視他的教育,在阿基米德11歲時,即帶著他到當時的經濟與文化中心—埃及的亞歷山大城去學習,其中一位老師是著有《幾何原本》的有名數學家歐幾里德,這奠定了他往後從事科學研究的基礎。

 

鑑定偷工減料的皇冠

  學成歸國回到敘拉古的阿基米德,除了每天沉醉於研究各種數學及科學問題,還非常受到當時幾任國王的重用,常常找他來解決各種疑難雜症,其中最有名的就是「真假皇冠」事件。

  國王指派工匠製作純金皇冠,雖然送回來的皇冠重量與當初給的黃金重量一樣,但是國王懷疑工匠私藏部分黃金,而將比較便宜的金屬(例如:銀或銅)混入皇冠內部。所以,國王請阿基米德在不破壞皇冠的情況下,鑑定出皇冠是不是純金的?他為此想破頭,好幾天廢寢忘食,最後終於在泡澡的時候想出方法,興奮得沒穿衣服就直接跑到皇宮找國王,一路大叫「我想出來了!我想出來了!」。

 

 

  小朋友,你知道他的方法是什麼嗎?

  因為他坐進裝滿水的澡盆,溢出來的水讓他想到:「重量相同的黃金,雖然外觀改變,但體積是不會改變的。而且重量相同的不同種類金屬(例如:金、銀、銅、鐵),它們的體積是不一樣的。」

  所以,阿基米德拿了與皇冠一樣重的金塊、銀塊及皇冠,分別放入三個相同大小、有刻度並裝有等量水的容器內。結果,三個容器的水位上升高度不同!上升最高的是裝銀塊的容器,第二高是裝皇冠的,上升最少的則是裝金塊的。工匠立刻被抓進大牢,聰明的阿基米德當然又獲得獎賞囉!

 

數學幾何成就

  另外,小朋友,你知道全世界第一位算出圓周率(以π表示)的近似值是誰嗎?就是阿基米德。

  他非常擅長使用「窮盡法」,去計算各種幾何形體的體積、面積以及它們之間的關係。利用畫出「圓內接正九十六邊形的周長」及「圓外切正九十六邊形的周長」他算出π的近似值介於π,也就是3.140845π3.142857。這個「窮盡法」對歐洲的數學發展幫助很大。同時,他還算出「球的表面積=最大內接圓面積的4倍(也就是4πr2)」以及推導出「圓柱內切球的體積=圓柱體體積」(這是阿基米德最喜愛的定理,被刻在他的墓碑上呢!)

  小朋友,你們最喜歡玩的七巧板拼圖遊戲,他也很會玩!利用14片小幾何圖形拼出一個大正方形,總共有17152種不同的方法,厲害吧?

 

 

其他卓越成就

  厲害的事跡還有幾個,年少求學時為解決埃及農夫取水不易,他發明了「阿基米德螺旋提水器」,直到相隔2200多年的現在,埃及當地還有人在使用這種機器喔!

 

 

  阿基米德因為非常熟悉「槓桿原理」及「力矩」的觀念,說出:「給我一個支點,我可以舉起整個地球」。

 

 

  因此被國王授命建造一艘巨無霸船(類似近代的鐵達尼號),作為送給埃及王的禮物,他成功達成任務。後來羅馬軍隊常常從海上攻擊他們的國家,相傳阿基米德發明幾種大型武器,例如「石砲彈弓」每次可發射500磅的石頭砲彈,攻擊靠近岸邊的船艦。「巨大起重機」可以將羅馬的戰船高高舉起再重重摔下。以及利用多面鏡子將太陽光反射聚焦在敵船上使其著火。當時敵方的將軍才會說:「這是一場羅馬艦隊與阿基米德一人的戰爭!」

  這位大師一輩子都在做研究及解決問題,你知道他是怎麼離開人間的嗎?某天,羅馬大軍攻進城了,當時他正在地上畫幾何圖形並沉思中,一個羅馬兵進門踩到他的圖形,他大喊:「不要踩我的圖!」,結果,羅馬兵一劍刺向他,熱愛數學到生命最後一刻的偉大阿基米德,就此跟世界說再見了。

 

小故事大哉問

  小朋友,聽完以上故事,我們一起來討論看看下列問題:

  1. 有一個容量是50毫升的容器,此容器已裝30毫升的水,接著放入一個不規則形狀的鐵塊,水位上升後溢出了15毫升的水。請問這個鐵塊的體積是多少立方公分?
  2. 你最喜歡阿基米德的哪個事蹟?為什麼?
  3. 你最想向阿基米德學習的地方是什麼?

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