席金合
在数学领域,面积是最基本、最常见、最实用、最重要的研究对象之一,尤其在土地丈量、工业用料估算以及自然资源探测等方面,都会涉及面积。对于一些规则物体,比如长方体、圆锥、圆柱及球体,数学家早已推导出了其表面积计算公式,只要进行相关数据的测量,很快就可以计算出来。可是,对于生活中常遇到的一些不规则物体,该如何计算表面积呢?比如,计算一只鸡的体表面积。
作为一名中学生,对于这个问题,你如果不进行一番认真思考,让脑筋多转几圈,恐怕一时理不清头绪,会觉得束手无策。其实,数学爱好者很早就通过思考,想出了一个妙招:在鸡身上选取一定面积的表皮,比如1平方厘米,拔掉这1平方厘米表皮上的鸡毛后进行计数,再拔完鸡全身的鸡毛求出总数,最后用鸡毛总数除以1平方厘米表皮上的鸡毛数,就得出一只鸡的表面积。不是太难吧?这里面没有牵扯到复杂、深奥的数学知识,只涉及小学所学的加法、乘法和除法。
可是,这个办法过于残忍,有戕害生灵、缺乏人道之嫌。那么,有没有一种“无痛测量法”呢?当然有!根据类似医院里的CT透视机的原理,对一只鸡进行多维透视,照样可以得出相同结果。不过,运用这种方法,离不开高等数学知识,没有学过大学课程中的微积分内容,恐怕难以理解其中的道理,更别提能找到这种复杂的测算思路了。这么说来,就只能选用即将毙命的肉鸡来测量了。
将鸡宰杀去毛,下锅煮熟后,小心地剥下鸡皮,用天平称出总重;再从中切取面积适度的鸡皮,最好是1平方厘米,并用灵敏天平测出其重量;最后用鸡皮总重除以1平方厘米鸡皮的重量,就知道鸡的体表面积是多少了。但这里面存在一个问题:如果切取鸡皮的面积过大,就带有明显的弧形,其面积的测量值就不准确;如果切取的鸡皮面积过小,其重量的测量值误差就大。那么,最终计算得出的鸡体表面积,必然不准确。要避免这种情况,切取的小块鸡皮面积尽可能地小,并多切几片测量它们的总重量,最后取平均值,误差就小些。
实际上,“数毛法”和“称重法”的思路是相通的,都是根据一定面积的鸡皮,所对应的另外一个量(一定的鸡毛数或一定的皮重)的比例关系,运用另外那个量的总量(总鸡毛数或总皮重),推导出鸡的体表总面积。沿用这种思路的测量方法还有很多。比如,可在鸡皮表面粘满小钢珠来測算,具体做法如下:
在去掉毛的鸡的表皮上刷一层万能胶,然后把鸡放人容器,并向里面倒满小钢珠,不停地摇动容器,让小钢珠紧紧粘满鸡身。等待一会儿,当小钢珠被胶液粘牢后,再把鸡从容器里拿出来,将粘在鸡身上的所有小钢珠剥下来,放到桌面上,摆成一个很规则的长方形,注意让小钢珠互相紧紧挤在一起。那么,这个长方形的长宽之积,就是鸡的表面积。当然,选用的钢珠越小,钢珠之间挨得越紧,最后测算出的面积值就越准确。
还有一种做法——刷漆法:在鸡皮表面均匀地刷上一层柔性很强的油漆,待风干后,像剥皮一样,将漆皮小心地揭下来,这张漆皮的面积就是鸡的表皮面积,这个面积可以用它的体积和厚度求出来。不妨想象一下,把这张漆皮分割成无数个极小的小块,则每一小块都是横截面均匀的柱形体,如果把所有小块放在一个平面上,重新拼起来,就形成一个横截面积都等于鸡的体表面积的低矮柱形体,柱形体的高就是漆皮的厚度。为了获得这个厚度精确值,可用多层测量取平均值的方法获得。而漆皮体积可用阿基米德的“排水法”测量:将其放入装满水的大杯子中,然后把溢出的水收集起来,用液体测量器具,测出溢出水的体积就是漆皮的体积。漆皮体积除以厚度,就得出鸡的体表面积。
上述办法,只要具备小学所学的加减乘除法和几何常识,并善于动脑筋钻研,充分发挥想象力,就不难想出来。
如果不嫌麻烦,还可用一种渗水的办法,同样能达到目的。我们知道,形状和大小接近的同种材料,在同一时间内,其吸水量与表面积有关,即表面积增大多少倍,则吸水量增大多少倍。据此,如果测出鸡身一定面积的吸水量和整只鸡的吸水总量,二者相除,就得出鸡的体表面积。然而,鸡身吸水微乎其微,很难准确测量出来。对此,我们可转换成渗水性强的石膏来进行。
就像塑像大师那样,以所测量的鸡为模具,制作出一模一样的石膏鸡,将其浸入水中一段时间后,再捞出来,其增加的重量就是吸水量。再将一个表面积已知、形状和大小与鸡接近的规则石膏体,最好是球体,放在水中浸泡相同时间,用其吸水量除以表面积,就得出一定面积的吸水量,再用这个值去除石膏鸡的总吸水量,就是鸡的体表面积。这种做法尽管繁琐一些,但毕竟练了一回雕塑手艺,体验了一番艺术的乐趣。
实验发现,就同一物体而言,与其表面积成正比关系的其他量,还有很多,比如吸热升温、受光变色、受压变形、受腐蚀变质等。根据这些数据及相互关系,就能找到测量物体面积的诸多方法。当然,同学们将来到了大学里,掌握了高等数学、高等物理等知识,那么,测量一个不规则物体的表面积,将是小菜一碟,会有更多的思路和办法。
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