曹老師的生活數學教室4:從天文地理學數學
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仰以觀於天文,俯以察於地理。 用高中數學就可瞭解一些天文與地理。TRANSCRIPT
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序 仰以觀於天文,俯以察於地理 曹亮吉 7
第 篇
緒篇 140.1 古代的宇宙圖像 17
0.2 托勒密的天地 19
第 篇
地球的大小 261.1 地是球形的 291.2 地球有多大? 37
1.3 哥倫布西航 41
1.4 橘子還是檸檬? 46
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從天文地理 學數學
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第 篇
星球的位置 582.1 太陽的起居活動 62
2.2 月亮的起居活動 67
2.3 相對遠近 73
2.4 太陽系的尺度 77
2.5 天文的三把標尺 84
2.6 視差法量距離 87
2.7 看星等定距離 93
2.8 哈伯定律 102
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|目錄|
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第 篇
行星的運動 1063.1 圓形的世界 109
3.2 橢圓形的世界 115
3.3 引力的世界 122
3.4 模型的世界 134
第 篇
旅者的方位 1404.1 地球的經緯 143
4.2 大圓 152
4.3 半球 159
4.4 球面三角 166
4.5 船長的抉擇 179
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第 篇
地圖的繪製 1825.1 圖窮匕現 185
5.2 東西南北 189
5.3 三角化測量 194
5.4 頂天立地的巨人 202
5.5 為船長解困 213
5.6 不同的投影 216
5.7 投影法的選用 226
延伸閱讀 235
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6 從天文地理 學數學
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這是阿草系列中的一本書,強調用高中數學就可瞭解一些天文
與地理。數學教育的目的不只是要學會數學的基本內容,要訓練邏
輯思考,更要能體會在日常生活中,在各學門中,有許多需要數學
的地方,有需借助邏輯思考的時候,而且透過日常生活、其他學門
中有情境的思考,數學的基本內涵才能真正顯現其意義。
系列的第一本書《阿草的葫蘆》是就高中的數學內容,逐項談
其與人文、社會、自然、曆法、天文、地理等領域的關聯,也談及
數學教育的本身。第二本《阿草的曆史故事》(第二版更名為:從月曆學數學)
則專注於曆法,談及曆法與文化、歷史及數學的關聯。第三本《阿
草的數學聖杯》(第二版更名為:從生活學數學),則把數學降至國中程度,
隨手舉出日常生活及各學門的各種例子,使讀者感受到身邊到處都
有數學。
序 仰以觀於天文,俯以察於地理
7
序(第一版)
仰以觀於天文,俯以察於地理
曹亮吉
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本書則專注於天文地理。先說天文。目前天文的熱門話題是大
霹靂、黑洞等,與宇宙本體論相關的議題,還有諸如火星大接近、
彗星撞木星、日月食等觀星活動,再就是太空船在太陽系的探險。
天文學通論的書籍很少,從數學的觀點介紹天文的書籍更是絕無僅
有。簡單的數學觀點可談大小、方位、距離、位置及模型,譬如地
球的大小,某顆星的方位、距離(因此位置),還有行星運動的模
型。
從大小、方位、距離、位置及模型的數學觀點,一樣可以談論
一些地理的問題。地球的大小是天文、地理共有的話題。地球上任
何一點都可以用經緯度來標定其位置,從一點到另一點有方位與距
離的問題。
地圖絕對無法忠實反映地球表面上的所有地理;地圖只是地表
的一種模型。地理學者發明各種投影法,製作各種模型地圖,來反
映地表上的某些特性。
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從大小、方位、距離、位置及模型的數學觀點,天文、地理的
許多話題就可放在一起來談,況且談及這方面的地理,往往離不開
相關的天文。譬如方位的規範、地球的大小,及經緯度的確定等,
若只限於觀測地球本身,會有「不識廬山真面目,只緣身在此山中」
的困境,所以必須往外看,觀測天文才能解決問題。
《易》〈繫辭〉說「仰以觀於天文,俯以察於地理」,好像天文、
地理各幹各的。其實很多時候,先要「仰以觀於天文」,才能「俯以
察於地理」。
數學為什麼有用?
本書用到的數學大致屬高中層級。我們用到一些平面幾何(地
月地日距離、恆星日月長度、潮汐週期、日照時間等)、圓錐曲線
(地球真正形狀、刻卜勒運動定律、萬有引力導出橢圓軌道等)、立
體幾何(球、大圓、恆向線、球面三角公式的導得、投影等)、三角
序 仰以觀於天文,俯以察於地理
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(三角測量、三角化方法、球面三角等)、微積分的極限概念(刻卜
勒運動定律、緯帶面積、麥氏投影等)。用到、但用得較少的是對數
指數(星等)、向量(萬有引力到橢圓軌道)等。
另外是建立模型的觀點並重視其演變。關於地球,怎樣從地平
到地圓、怎樣量其大小;怎樣實證地是圓的,從哥倫布西航,到麥
哲倫環繞世界一周,到科學家怎樣決定地球的實際形狀,到太空人
得到地球實體的照片。
關於行星運動,早期認定以地球為中心,有圓模型、同心球模
型、本均輪模型;後來修正,以太陽為中心,而有刻卜勒運動定
律、牛頓萬有引力定律,及擾動運動模型。
瞭解建立模型的重要,並重視其過程,才有助於瞭解數學之應
用。這方面是現有高中課程最弱的地方。缺了這一環,高中數學教
育就成了純粹的數學技術訓練,無法瞭解數學為什麼有用,如何有
用。
10 從天文地理 學數學
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本書的安排大致順著歷史的發展,可算是簡易版數學觀點的天
文地理學史。希望能對數學應用的瞭解有所助益,也希望增長吾人
之通識。
談到文獻,有沒有同樣目的的中文著作?應該沒有,否則我也
不必費心寫這一本。天文方面,美國著名科普作家艾西莫夫(Isaac
Asimov, 1920-1992)寫的《The Universe》(宇宙)一書算是最接近的
了,不過它的天文內容比較深,而數學用得沒那麼多——到底它不
是純從數學觀點談天文的。
中文又通識的一般天文書,可看王寶貫的《天與地》、牛頓出版
的《牛頓科學研習百科——宇宙》,及薩根(Carl Sagan, 1934-1996)著
的《Cosmos》,其中文版《宇宙.宇宙》由遠流出版。
序 仰以觀於天文,俯以察於地理
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劉步林著的《數學在天文學中的應用》一書,看起來似乎正好
是我們要的,不過它的天文並沒有系統介紹,用的數學又相當深,
只可做為進一步的參考。
至於地理方面,與本書旨趣相同的中文書,我想沒有。地圖發
展的歷史背景,可參考海野一隆著,王妙發譯的《地圖的文化史》
一書。織田武雄的《地圖の歷史——世界篇》也是很好的參考書,
可惜沒有中譯本。
數學與製圖的關係,市面上看不到這類書。我參考了The Times
的《Atlas of the World》(世界地圖集)中〈Map Projections〉(製圖
投影)那一節,以及台大總圖書館中關於製圖學(Cartography)的許
多書籍。
天下文化出版的譯作《宇宙的詩篇》及《毛起來說三角》兩書
也有值得參考的地方,譬如前者的〈知其不可測而測之〉、〈環繞地
球〉、〈回顧可觀測宇宙〉三篇文章,後者的〈量天度地〉、〈地圖
製作者的樂園〉兩篇文章。
12 從天文地理 學數學
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時報公司譯自Gallimard出版社New Horizons系列的書,稱為
「發現之旅」系列的,有許多本與天文地理有關,譬如《牛頓》、
《星空》、《絲綢之路》、《哥倫布》、《南太平洋征旅》等,都值得
參考。
寫書最大的好處是看了許多書,把許多不很聚焦的印象弄清
楚,互相連結起來,編織成整體的觀感。我是本書的最大獲益者,
希望這也是您愛看的一本書。
2004年9月,寫於台北
序 仰以觀於天文,俯以察於地理
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