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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,沒怎么休息好。

  “趕緊搞定最后一道計算題,搞完了回家補覺。”沈奇打起精神,仔細審題。

  審完最后一道25分的計算題,沈奇終于有了幾分興趣:“就這最后一題,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,電荷線密度為λ(λ>0),半徑為R的均勻帶電圓環固定在光滑的水平絕緣桌面上。質量為m、電量為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。”

  “設圓環上電荷的分布不受小球電荷的影響,試判斷小球之后的運動是否為振動?”

  “若為振動,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周期T。”

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

  就初賽最后一道計算題而言,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。

  對于同一道物理題,如果采用估算方法,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為依據開始答題。

  沈奇作出一個輔助圖,取通過O點并與圓環平面垂直的軸為x軸。

  在圓平面上以O點為圓心,作半徑為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。

  沈奇取此圓柱面為高斯面,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,為恢復性保守力,小球的運動為振動,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周期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

  那么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點相距為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

  那么帶電小球在r處所受靜電力為:

  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。

  所以周期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、暴躁浮夸,必須時刻保持嚴謹的競賽作風。

  沈奇檢查了一遍考卷,然后交卷,此時距開考過去了30多分鐘。

  “這尼瑪?”

  “臥槽?”

  “這么早交卷?”

  “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,但這么早交卷也屬罕見。

  物競圈子里也有眼尖的選手:“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,脊梁骨竟冒出一絲寒意。

  “誰在罵我?”沈奇猛然回頭,眼神犀利掃視眾選手。

  “草!”

  眾選手菊花亂顫,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,并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。”穆蓉終于忍不住笑了起來,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,其余幾門都是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…好困,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周內完成,CPhO的復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?或許最后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,“全國那么多選手參賽,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,剛起床,腦殼疼,起來發一章存稿然后接著睡,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。)

大熊貓文學    我只想當一個安靜的學霸