087章 高斯定理的估算

“這位同學,請保持清醒,不要在考場上打瞌睡。”監考老師十分嚴肅的提醒沈奇。

“嗯,抱歉。”沈奇揉揉太陽穴,最近一段時間改《奧數冠軍沈奇的數學技巧》的稿子,改的他心力憔悴,沒怎麼休息好。

“趕緊搞定最後一道計算題,搞完了回家補覺。”沈奇打起精神,仔細審題。

審完最後一道25分的計算題,沈奇終於有了幾分興趣:“就這最後一題,像是正規物理老師出的題。”

物理計算題大多配有示意圖,不配圖的物理題一般呈現兩種極端,一種是簡單的想打瞌睡,另一種是難的吊炸天。

初賽鎮宅之題的分值最高,25分,這道計算配有示意圖。

示意圖是一個圓,從圓心O到圓周七點鐘方位畫有一條虛線R,這條虛線R是圓的半徑。在圓心O旁邊不遠處有個小黑點mq。

本題的文字描述是:

“如圖所示,電荷線密度爲λ(λ>0),半徑爲R的均勻帶電圓環固定在光滑的水平絕緣桌面上。質量爲m、電量爲q的光滑小球,靜止放在桌面上與圓環中心O點非常接近的位置處。”

“設圓環上電荷的分佈不受小球電荷的影響,試判斷小球之後的運動是否爲振動?”

“若爲振動,設小球初始位置與O點的距離r0<<R,試用適當的近似方法估算小球的振動週期T。”

估算與嚴格計算的區別在於,估算可以繞過複雜的數學演算,直接獲得正確的定性結論和比較接近的粗略定量結果。

就初賽最後一道計算題而言,小球的運動是振動還是非振動,沈奇必須給出定性結論,判斷不得有誤。這是第一步。

對於同一道物理題,如果採用估算方法,可選擇的途徑往往不止一條。

很明顯,這是道電磁學題目,沈奇在諸多種估算方法中,選擇靜電場高斯定理爲依據開始答題。

沈奇作出一個輔助圖,取通過O點並與圓環平面垂直的軸爲x軸。

在圓平面上以O點爲圓心,作半徑爲r的圓。

將此圓沿x軸的正負方向各延展l,一個圓柱面就此形成。

沈奇取此圓柱面爲高斯面,因其中無電荷,根據高斯定理可得:

?E*ds=0

高斯定理一祭出,真相越來越清晰。

帶正電的小球所受靜電力總是指向圓環中心O點,爲恢復性保守力,小球的運動爲振動,振動中心就是O點。

沈奇很快解決了第一問,這就是定性給結論,接受過物競培訓的學生應該都能給出正確的結論性判斷。

第二問要求沈奇估算小球的振動週期T,稍微麻煩一點點。

圓柱兩端面的電通量可以近似的用x軸上的電場強度來計算,沈奇作出計算:

E1=λ(2πR)l/4πε(R^2+l^2)^3/2=λRl/2ε(R^2+l^2)^3/2

那麼通過兩端面的電通量近似值就出來了:

?兩端面E*ds≈E1*2πr^2

通過圓柱側面的電通量可以近似的用圓平面上與O點相距爲r處的電場強度Er來計算,根據高斯定理可得:

?圓柱面E*ds=?兩端面E*ds+?側面E*ds=0

那麼帶電小球在r處所受靜電力爲:

Fr=qEr=-λq/4εR^2*r

考慮到線性恢復力,小球在它的作用下將繞O點做簡諧振動。

所以週期T=4πR根號εm/λq

“搞定。”歷經CMO乃至IMO的洗禮,沈奇在學科競賽的賽場上已算一位經驗豐富的老將。

數競也好,物競也罷,競賽模式大同小異。

既然是老將,就不能驕傲自大、暴躁浮誇,必須時刻保持嚴謹的競賽作風。

沈奇檢查了一遍考卷,然後交卷,此時距開考過去了30多分鐘。

“這尼瑪?”

“臥槽?”

“這麼早交卷?”

“不停的寫,寫滿試卷也得30分鐘吧?”

“這貨不用思考的?還是瞎幾把寫?”

同一考場的其他選手明顯受到沈奇交卷的影響,各自在心中高呼MMP。

雖然CPhO全國初賽的考卷不難,但這麼早交卷也屬罕見。

物競圈子裡也有眼尖的選手:“提前交卷這貨……莫非是沈奇?那個國際奧數競賽的冠軍?”

沈奇走到考場門口,阿嚏,忽然打了個噴嚏,脊樑骨竟冒出一絲寒意。

“誰在罵我?”沈奇猛然回頭,眼神犀利掃視衆選手。

“草!”

衆選手菊花亂顫,遂埋頭繼續答題。

“喂,交了卷請迅速離開考場。”監考老師催促沈奇,並快速審視沈奇的試卷,該寫的都寫滿了,有理有據,不像瞎蒙,這種情況允許提前兩個多小時交卷。

沈奇大步離去,在考場外見到了穆蓉。

“這……沈奇你也太快了吧?”穆蓉有些意外。

沈奇略顯從容:“一般一般,亞洲第三。”

“那亞洲前二是誰?”穆蓉忍住不讓自己發笑。

沈奇一本正經的說到:“是校長和穆老師。”

“哈哈。”穆蓉終於忍不住笑了起來,又覺得疑惑:“你這政治覺悟,政治考試不可能拿B吧?”她也聽說了,沈奇政治考試拿了個B,其餘幾門都是A。

“哎,誰不曾年輕過,懵懂過。”沈奇一想起政治考試就不爽,黑歷史啊,無法抹去的污點。當然了,高二下學期之前沈奇黑歷史挺多的,既然無法抹去,那便坦然面對。

沈奇伸了個懶腰:“哈欠……好睏,我要睡覺了。”

“去吧,回家好好休息,辛苦了。”穆蓉沒有跟沈奇討論任何一題,沈奇的行動說明了一切。

初賽的閱卷工作將在一到兩週內完成,CPhO的複賽安排在四月中旬舉行。

第二天,沈奇在南港二中遇見了幾個校物競隊的隊友。

“我估完分,覺得能考個140?”物競隊的隊友林星宇說到。

“我錯了一道選擇題、兩道填空題,兩道計算題,初賽得分大概在120到130之間。”另一位隊友白玲燁說到。

“你呢沈奇大佬?”林星宇問到。

“我估計在200分左右?或許最後一道計算題某些步驟要扣掉一兩分,也說不準,不知道。”沈奇說到。

“牛!”林星宇對沈奇有種盲目的崇拜,200分就是滿分。

“完了完了,初賽晉級分數線被沈奇拉高了。”白玲燁苦哈哈的說到。

“白玲燁你數學怕是不及格哦。”林星宇說到,“全國那麼多選手參賽,一個滿分就拉高分數線了?吐槽都不會,差評!”

……

……

(昨天初二在親戚家喝大了,剛起牀,腦殼疼,起來發一章存稿然後接着睡,今天估計碼不了幾個字,晚上還要去其他親戚家吃飯,在我老家過年,20歲以上的男人不喝酒是不被允許的。

接到起點的通知,3月1日上架,我得存點稿,今天估計存一章稿都難,所以只能更新一章。)

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