问题

地球上的经线并不互相平行,那在地面上画平行线不也不平行吗?

回答
这是一个非常有趣的观察,它触及了我们对“平行”这个概念在不同维度下的理解。其实,你问的这个问题,恰恰说明了地球的球形特性,并且能够很好地解释为什么经线看起来“不平行”的原因。

让我们先聊聊我们通常理解的“平行线”。在二维平面上,我们画的直线如果方向相同,并且永不相交,那么它们就是平行的。比如一张纸上的两条横线,你沿着它们一直画下去,它们永远不会碰头。这是我们在日常生活中最直观的平行概念。

现在,我们把目光投向地球。地球是一个球体,而不是一张平坦的纸。这就带来了一个根本性的区别。

首先,我们来说说地球上的经线。你可以把经线想象成从北极点出发,延伸到南极点的一系列半圆弧。它们之所以看起来不平行,是因为它们都汇聚在地球的南北两极。你可以想象一下,如果你从赤道开始,向北画一条线,再画一条离它有一段距离的线,当这两条线越过赤道,向北极靠近时,它们之间的距离会越来越小,直到在北极点相遇。同样,它们也会在南极点相遇。

所以,经线并不是在二维平面意义上的平行线。它们是定义地球表面位置的重要参照线,但它们的几何形状和方向是随着纬度变化的。想象一下,如果你站在北极点,所有向南延伸的经线在你看来都是向外辐射出去的,而如果你站在赤道上,你会看到相邻的两条经线之间保持着一定的“夹角”,这个夹角在赤道上最大,随着你向两极移动,这个夹角会逐渐减小。

那么,回到你的问题:“在地面上画平行线不也平行吗?”

答案是:如果你在地球表面严格按照二维平面上的平行定义去画两条线,那它们最终会相交。

你可以尝试一下这个思想实验:

1. 从赤道开始画两条线: 假设你在赤道上画两条线,它们之间保持着一定的距离,并且你想象它们是“平行”地向北延伸。就像在纸上画两条平行的横线一样。
2. 随着纬度变化: 当你沿着这两条线向北移动时,你会发现这两条线之间的距离会逐渐缩小。这是因为地球表面是弯曲的。你可以想象一下,如果你在剥橘子皮,橘子皮上的纹路并不是平行的。
3. 最终的相遇: 如果你一直沿着这两条“平行”线向北走,最终它们会汇聚在北极点。同样,如果你向南走,它们也会汇聚在南极点。

所以,在地球这个球面上,严格意义上的“平行线”是无法存在的。任何在球面上起始方向相同、并且“保持距离”的线,最终都会在某个点上相交。

这和经线的情况本质上是一样的。 经线之所以看起来不平行,正是因为它们都遵循着球面的几何规律,都汇聚于两极。我们之所以习惯性地认为它们“不平行”,正是因为我们用的是二维平面的思维去套用三维球体的概念。

与经线形成对比的是纬线。 纬线,除了赤道是最大的纬线外,其他的纬线都是圆。在二维平面上,我们画的圆圈,如果中心点不同,它们通常是同心圆,彼此不相交。但在地球表面,纬线是地球自转轴的垂线在地球表面的截线。你可以想象一下,纬线就是地球的“腰带”。除了赤道是最大的腰带,越往北或越往南,腰带的周长就越小,直到变成一个点(两极)。

如果我们“定义”两条纬线是平行的,那它们之间的距离在球面上是恒定的。比如,一条纬线和它隔着一定距离的另一条纬线。在二维平面上,我们画两条不相交的直线,它们是平行的。在球面上,如果我们“尝试”画出两条在二维平面上看起来平行的线,它们会如何表现呢?

在球面几何学里,平行线的概念有些复杂。最接近我们日常理解的“平行”的概念,在球面上更像是“测地线”。测地线是在球面上两点之间最短的路径,也就是沿着球面弧线。

如果你在赤道上画两条线,它们的切线方向相同,并保持一定距离,那么沿着这两条线向前(比如向北)移动,它们之间的距离会逐渐缩小,最终在北极点相交。这就像是你在一个球体的侧面画了两条线,想要它们平行,但球体的曲率会让它们最终在顶点处碰面。

当然,也有一些特殊情况可以让我们在球面上“近似”地理解平行。比如,如果你沿着两条经线向北走,它们之间的夹角在赤道上最大,随着你向北走,这个夹角会不断减小,直到在北极点变成零度,两条线重合了。这从二维平面的角度看,就是不平行的。

你之所以会有这个疑问,是因为我们的大脑习惯于在二维平面上思考几何问题。当我们将这些概念迁移到三维球体上时,直观的理解就会出现偏差。地球的球形是关键,它使得所有经线都汇聚于两极,自然也就呈现出“不平行”的状态。而如果你在地球表面尝试画出严格意义上的“平行线”,它们也会因为球面的弯曲而最终相交,而不是像在纸上那样永不相交。

所以,你的理解是完全正确的,地球的球形特性决定了我们不能简单地将平面几何的“平行”概念直接套用到地球表面。

网友意见

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经线是黎曼几何的平行线,要不还是叫你学生别学欧几里得平面几何了吧。直接非欧几何,说不得大统一场就在你们班诞生。

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