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备收队回去了。千钧让柯南快点想办法，柯南也急出一头汗，抱怨目暮和毛利是糊涂二人组。佐伯丽子向目暮警官确认了明天的开幕式不会受影响，目暮警官宣布今天晚上的调查取证到此结束了。丽子长出一口气，向其他队员宣布了明天开幕式照常举行的决定。
柯南认为俱乐部内部人员作案的可能性非常大，因为案发当时所有的客人都离开了。千钧和柯南赶到慰劳酒会办公室，见到了二位正在清理垃圾的队员。柯南询问酒会中途是否有人离去，选手甲乙回答可能有人离开，当时人太多太热闹了，他们都没有注意到。柯南判定肯定有人离开，三个嫌疑人，第一个是俱乐部的社长佐伯丽子，第二个是代表权被抢走的木岛久，第三个是出现在婚外情照片上的成濑圭一。
千钧认为现在最大的问题是那位目击老人的目击证词，就带着柯南去拜访了这位老人。原来这位老人坐在轮椅上，腿上有残疾，而且是位画家，老人自称画画是业余的消遣。千钧和柯南都看到了老人所画的《月光下的跳跃》，他平时会在固定时间观察后画画娱乐，这幅画就是今晚画的。老人认识西条，感叹道，“太可惜了，都是他把灯关掉了，勉强练习才会发生这样的事情。”千钧和柯南都吃了一惊，老人说他也因此画下以满月为背景的这幅画。
柯南问是否看清了西条先生的脸，老人直言太黑了没看清，“不过，那景象真的太美了，我仿佛看到他脸上闪耀着光辉。突然觉得画意泉涌，就急忙将其画了下来。”柯南觉得不对劲，如果头撞到台板上，身体的平衡会乱掉，而画上非常正常。柯南看到画作上的一个细节，眼镜上光芒一闪，真相只有一个。千钧按照柯南的吩咐将老人的这幅画借来当做证物包好，二人匆匆赶回体育馆。
小兰、由美她们几个到处寻找二人，见到二人回来无不抱怨。小五郎更是愤怒，“你们到底跑到哪里去了？”小兰也道，“我们都担心死了，到处找你们两个。”静杨气呼呼地说，“千钧，你怎么老是带着柯南乱跑，可别教坏小孩子！”千钧被四女揪住大肆批评。小五郎也决定教训一下柯南，开始追柯南，柯南急忙逃跑，情急之下跑上了跳水高台，大叔恼怒之下忘了恐高的事情，奋力追了上去。柯南无奈，只好射出麻醉针，击中大叔的臀部，想让沉睡的小五郎出现跳水高台上。小五郎摇摇晃晃眼看要掉下去，还好千钧甩开几个女孩跑了上来，急忙拉住毛利，让他安稳坐下来，二人都出了一身汗。千钧抱怨柯南太冒险了，差点出事。
几个女孩也都吓了一跳，询问他们是否有事。柯南开始扮演小五郎，让几个女孩把所有人都叫到这里来。大家有些疑惑，由美看出来，这是沉睡的小五郎出现，急忙通知了目暮警官。大家到齐后，目暮警官头疼，“这是怎么回事，毛利老弟？”“我已经知道这次事件的凶手了。”目暮惊奇，“你不是也认为是意外吗？”小五郎说这是一件看似意外的谋杀案件。
毛利侦探提到有如下的疑点，第一，耳塞的颜色不对，凶手让西条闻了乙醚后，让他晕倒，在换下泳装的同时，凶手将自己的耳塞放到了西条的耳中。第二，泳帽，跳水台的边缘没有血迹和毛发，也没有打斗的痕迹。目暮警官也明白过来，“难道凶手是为了掩饰这些才让他戴上泳帽的？”“完全正确，这一切都是为了让游泳池边发生的罪行，看起来像是在高台跳水练习当中所发生意外的一种伪装行为罢了。”然后凶手脱下西条的衣服，放进西条的柜子里面，所以柜子没有上锁。
目暮警官抱怨自己到处都找不到相关的证据，还有目击者的证词要怎么解释。千钧站过来大声说道，“那位目击老人每天都会在固定时间到阳台上观看体育馆的跳水情况。”小五郎继续推理，“归纳起来，他目击到的一切都不是偶然的，是某人的刻意安排。”目暮警官糊涂了，“死者故意跳水失败，让老人看见，难道他是自杀的吗？”小五郎好笑，“如果这样，他为什么要把灯全关掉呢？这分明是蓄意让游泳池视线不明。”小兰奇怪为什么要把灯关掉呢，由美明白过来，“摸黑跳水，因为他不想让人看到自己的脸。”直子也笑了，“原来是李代桃僵之计。”
大家都恍然大悟，目暮警官终于转过弯来，“原来如此，目击者看到的不是死者，其实另有其人。”小雅也道，“这么说的话，这个冒充死者跳水的人就是真正的凶手了。”大家都震惊了，全都看向成濑圭一和木岛久二人，二人都否认不是自己。小五郎开口，“木岛先生，你以前曾经是跳水的代表选手，现在已经转到竞泳项目了吧。你的代表权被抢走之后，对西条一定怀恨在心吧。竞泳项目一定要戴上泳帽才行的，你为了不留下痕迹，才下意识把自己的泳帽为西条选手戴上的吧。因为你忘了，跳水是不需要戴上泳帽的。”
大家都明白了凶手就是木岛久，他把西条杀死后做出这些伪装。木岛久垂死挣扎，认为这只是毛利侦探的推理，必须拿出证据来才行。小兰提到泳帽上应该有木岛的指纹，目暮警官摇头，“已经检查过了，没有发现任何指纹，应该在这之前泳帽被清洗过。”木岛露出得意的笑容，千钧大喊，“静杨，你把我拿回的那幅画，给目暮警官和大家看看。”小五郎叹息，“等你们看完后，一切就真相大白了，那是柯南和千钧向那位目击老人借来的铁证。”
目暮警官将画作外的包装打开，大家一起欣赏《月光下的跳跃》，那位老人在今天晚上看完跳水后画得一幅素描。“请你们仔细看看，凶手虽然故意把灯关掉，在这里跳水让目击者看到，但是月光下却发射出一项决定性证据，而这位老人也忠实地将其画了下来。”几个女孩都发现了，“耳环和反射的光芒。”目暮也明白了，木岛大惊失色，“怎么会？”毛利侦探认为凶手是内部人员，由于时间不够，凶器应该还没有丢掉，应该还藏在这个体育馆中的某个地方。
木岛久抵赖不过，不得不承认了罪行。西条直也靠作弊打败了木岛久，抢走代表权，因为半年前木岛骑摩托带着女友飙车出了车祸，女友也因此重伤入院，西条知道后就以此为由向负责人和委员会告发了木岛，让木岛不得不退出跳水运动。毛利侦探叹息，“你这次的疏忽就在于你跳水的时候，太完美无缺了，才露出了马脚。”木岛认为跳水是自己一生中最重要的追求，没有办法故意装出失去平衡的动作来，“因为我的骄傲不允许我这么做。”
在那之后，警方从办公室的垃圾桶找到了著名的凶器——板砖。木岛就是用它来打击西条头部的，水泥砖上也发现了木岛的指纹。目暮警官向毛利侦探表示感谢后，邀他改日到警局做详细笔录，就押着木岛久离开了。小兰她们几个发现小五郎还在高台上，小兰就大喊，“爸爸，你在干什么啊？我们该回去了。”柯南大惊，“我把大叔忘在上面了！”急忙从下面沿着楼梯向上跑去。千钧也大惊，“不好，毛利叔叔有恐高症。”也随后急忙奔上去。
小五郎打了个哈欠，醒了过来，“睡得真舒服啊！”然后摇晃着站起来。千钧急忙大喊，“别向下看啊！”小五郎疑惑一瞅，好高啊，吓得脸都绿了，“我怎么会跑到这个地方！”眼前一黑就向下栽倒，匆匆赶到的柯南大惊失色，“等一等！”急忙上前拽住大叔的腿，可惜力量太小了，反而带着柯南一起向下栽去。千钧及时赶到，奋力将二人拽住，险险地将二人拉回到高台上，所有人都吓出一身冷汗。
尾声，木岛久因杀害西条直也，被法庭判处5年徒刑。毛利小五郎因破获体育俱乐部杀人事件，警视厅给以B级奖励。当天回到家后，小五郎惊魂未定，想起自己追柯南跑到了高台上，大为愤怒，再次痛扁了柯南。小兰埋怨父亲对柯南老是这么暴力。千钧他们5人回到家后，发现已经凌晨1点了，四女都困的睁不开眼了，就一起到千钧房里安睡。直至天亮，也没发生千钧期待很久的香艳事件。千钧自我安慰，以后有的是机会，昨夜大家都太困了，对女孩来说为了保持容貌，没有什么比充足的睡眠更重要了。