087章 高斯定理的估算
作者:术小城      更新:2021-07-23 18:44      字数:2401
  “这位同学,请保持清醒,不要在考场打瞌睡。!”监考老师十分严肃的提醒沈。
  “嗯,抱歉。”沈揉揉太阳穴,最近一段时间改《奥数冠军沈的数学技巧》的稿子,改的他心力憔悴,没怎么休息好。
  “赶紧搞定最后一道计算题,搞完了回家补觉。”沈打起精神,仔细审题。
  审完最后一道25分的计算题,沈终于有了几分兴趣:“这最后一题,像是正规物理老师出的题。”
  物理计算题大多配有示意图,不配图的物理题一般呈现两种极端,一种是简单的想打瞌睡,另一种是难的吊炸天。
  初赛镇宅之题的分值最高,25分,这道计算配有示意图。
  示意图是一个圆,从圆心o到圆周七点钟方位画有一条虚线r,这条虚线r是圆的半径。在圆心o旁边不远处有个小黑点。
  本题的字描述是:
  “如图所示,电荷线密度为λ(λ>0),半径为r的均匀带点圆环固定在光滑的水平绝缘桌面。质量为电量为q的光滑小球,静止放在桌面与圆环心o点非常接近的位置处。”
  “设圆环电荷的分布不受小球电荷的影响,试判断小球之后的运动是否为振动?”
  “若为振动,设小球初始位置与o点的距离r0<<r,试用适当的近似方法估算小球的振动周期t。”
  估算与严格计算的区别在于,估算可以绕过复杂的数学演算,直接获得正确的定性结论和较接近的粗略定量结果。
  初赛最后一道计算题而言,小球的运动是振动还是非振动,沈必须给出定性结论,判断不得有误。这是第一步。
  对于同一道物理题,如果采用估算方法,可选择的途径往往不止一条。
  很明显,这是道电磁学题目,沈在诸多种估算方法,选择静电场高斯定理为依据开始答题。
  沈作出一个辅助图,取通过o点并与圆环平面垂直的轴为x轴。
  在圆平面以o点为圆心,作半径为r的圆。
  将此圆沿x轴的正负方向各延展l,一个圆柱面此形成。
  沈取此圆柱面为高斯面,因其无电荷,根据高斯定理可得:
  ?e*ds=0
  高斯定理一祭出,真相越来越清晰。
  带正电的小球所受静电力总是指向圆环心o点,为恢复性保守力,小球的运动为振动,振动心是o点。
  沈很快解决了第一问,这是定性给结论,接受过物竞培训的学生应该都能给出正确的结论性判断。
  第二问要求沈估算小球的振动周期t,稍微麻烦一点点。
  圆柱两端面的电通量可以近似的用x轴的电场强度来计算,沈作出计算:
  e1=λ(2πr)l/4πε(r2+l2)3/2=λrl/2ε(r2+l2)3/2
  那么通过两端面的电通量近似值出来了:
  ?两端面e*ds≈e1*2πr2
  通过圆柱侧面的电通量可以近似的用圆平面与o点相距为r处的电场强度er来计算,根据高斯定理可得:
  ?圆柱面e*ds=?两端面e*ds+?侧面e*ds=0
  那么带电小球在r处所受静电力为:
  fr=qer=-λq/4εr2*r
  考虑到线性恢复力,小球在它的作用下将绕o点做简谐振动。
  所以周期t=4πr根号ελq
  “搞定。”历经c乃至i的洗礼,沈在学科竞赛的赛场已算一位经验丰富的老将。
  数竞也好,物竞也罢,竞赛模式大同小异。
  既然是老将,不能骄傲自大、暴躁浮夸,必须时刻保持严谨的竞赛作风。
  沈检查了一遍考卷,然后交卷,此时距开考过去了30多分钟。
  “这尼玛?”
  “卧槽?”
  “这么早交卷?”
  “不停的写,写满试卷也得30分钟吧?”
  “这货不用思考的?还是瞎几把写?”
  同一考场的其他选手明显受到沈交卷的影响,各自在心高呼p。
  虽然cpho全国初赛的考卷不难,但这么早交卷也属罕见。
  物竞圈子里也有眼尖的选手:“提前交卷这货……莫非是沈?那个国际奥数竞赛的冠军?”
  沈走到考场门口,阿嚏,忽然打了个喷嚏,脊梁骨竟冒出一丝寒意。
  “谁在骂我?”沈猛然回头,眼神犀利扫视众选手。
  “草!”
  众选手菊花乱颤,遂埋头继续答题。
  “喂,交了卷请迅速离开考场。”监考老师催促沈,并快速审视沈的试卷,该写的都写满了,有理有据,不像瞎蒙,这种情况允许提前两个多小时交卷。
  沈大步离去,在考场外见到了穆蓉。
  “这……沈你也太快了吧?”穆蓉有些意外。
  沈略显从容:“一般一般,亚洲第三。”
  “那亚洲前二是谁?”穆蓉忍住不让自己发笑。
  沈一本正经的说到:“是校长和穆老师。”
  “哈哈。”穆蓉终于忍不笑了起来,又觉得疑惑:“你这政治觉悟,政治考试不可能拿b吧?”她也听说了,沈政治考试拿了个b,其余几门都是a。
  “哎,谁不曾年轻过,懵懂过。”沈一想起政治考试不爽,黑历史啊,无法抹去的污点。当然了,高二下学期之前沈黑历史挺多的,既然无法抹去,那便坦然面对。
  沈伸了个懒腰:“哈欠……好困,我要睡觉了。”
  “去吧,回家好好休息,辛苦了。”穆蓉没有跟沈讨论任何一题,沈的行动说明了一切。
  初赛的阅卷工作将在一到两周内完成,cpho的复赛安排在四月旬举行。
  第二天,沈在南港二遇见了几个校物竞队的队友。
  “我估完分,觉得能考个140?”物竞队的队友林星宇说到。
  “我错了一道选择题、两道填空题,两道计算题,初赛得分大概在120到130之间。”另一位队友白玲烨说到。
  “你呢沈大佬?”林星宇问到。
  “我估计在200分左右?或许最后一道计算题某些步骤要扣掉一两分,也说不准,不知道。”沈说到。
  “牛!”林星宇对沈有种盲目的崇拜,200分是满分。
  “完了完了,初赛晋级分数线被沈拉高了。”白玲烨苦哈哈的说到。
  “白玲烨你数学怕是不及格哦。”林星宇说到,“全国那么多选手参赛,一个满分拉高分数线了?吐槽都不会,差评!”
  ……
  ……
  (昨天初二在亲戚家喝大了,刚起床,脑壳疼,起来发一章存稿然后接着睡,今天估计码不了几个字,晚还要去其他亲戚家吃饭,在我老家过年,20岁以的男人不喝酒是不被允许的。
  接到起点的通知,3月1日架,我得存点稿,今天估计存一章稿都难,所以只能更新一章。)