勋章背面

第4章 建模的初试锋芒:那道卡住韩东的题

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书名:
勋章背面
作者:
橙橙宸
本章字数:
10972
更新时间:
2025-07-09

深夜走廊里那句带着血腥气的“赢回来”,像一把淬火的匕首,被林薇死死攥在了手心。它不再仅仅是一个口号,而是成了刻进骨子里的战书。韩东那近乎偏执的眼神和那句关于“框架”的自省,如同投入心湖的重石,在她原本混乱的思维泥沼里砸开了一道清晰的裂隙。

她不再满足于零敲碎打的“拆解”和宋小雨式的“炸鸡联想”。韩东口中的“框架”,沈言点过的“系统”,在她脑海里反复碰撞。她开始疯狂地翻阅奥赛营发的各种参考书,不再只盯着具体题目,而是寻找那些关于“解题方法论”的章节——物理模型构建、系统分析法、极限思维、类比与对称……

一本旧版的《物理竞赛解题思想与方法》被她翻得起了毛边。其中一章专门讲“物理模型的抽象与简化”。她如饥似渴地读着:

“面对复杂问题,首要任务是剥离非本质细节,抽象出核心物理过程,建立理想化模型……模型是思维的脚手架,是理解复杂世界的简化透镜……”

“脚手架”……“简化透镜”……林薇反复咀嚼着这两个词。她想起韩东那道空掉的压轴题,他卡在能量转换的临界点上,是不是也被过于复杂的现实细节困住了?没有找到一个足够“简化”的模型来抓住核心?

她拿出笔记本,在扉页上用力写下两个大字:

建模

然后,她开始尝试将这套理论应用到具体题目上,尤其是那些曾经让她望而生畏的难题。她不再急于下笔计算,而是强迫自己先做一件事:抽象核心过程,画模型草图,标注关键变量和关系。

比如一道关于“两个带电小球在磁场和重力场复合作用下碰撞”的难题:

抽象核心过程: 带电小球在重力、洛伦兹力、库仑力作用下的运动 → 碰撞瞬间动量能量守恒 → 碰撞后各自新的运动轨迹。

画模型草图: 画坐标轴,标出磁场方向(垂首纸面向里),重力方向(向下)。画两个小球初始位置,标出电量q1、q2,质量m1、m2,初速度v1、v2(矢量)。

标注关键变量和关系:

运动阶段: 受力分析:重力 mg(向下),洛伦兹力 q(v × B)(方向随v变),库仑力 k q1 q2 / r2(方向沿连线)。运动轨迹:复杂曲线(受洛伦兹力影响)。

碰撞瞬间: 位置?速度?动量守恒:m1 v1_before + m2 v2_before = m1 v1_after + m2 v2_after。能量守恒:弹性碰撞?非弹性?题目未说明,需假设或讨论。

碰撞后: 各自受力运动,轨迹再次变化。

找关键点: 碰撞发生的位置(由初始运动轨迹决定)是核心!它决定了碰撞时的相对速度、位置,进而影响碰撞结果和后续轨迹。因此,核心是求解两球运动轨迹的交点(碰撞点)。

简化(理想化): 题目未提空气阻力等,忽略。库仑力在运动过程中随距离变化,计算复杂,但若两球初始距离较远且运动时间短,库仑力影响较小?或者题目暗示可忽略?需根据题目条件判断。若可忽略库仑力,则运动仅受重力和洛伦兹力,轨迹为变加速曲线(摆线),但求解交点依然困难。关键临界: 题目是否要求精确轨迹?还是只关心能否碰撞及碰撞后状态?若后者,或许可以寻找轨迹是否有交点(即位置矢量方程有解)作为判断依据,而不必精确求解轨迹。

虽然最后一步的精确求解依然困难(需要解微分方程),但通过建模,林薇清晰地抓住了问题的骨架——核心是碰撞点的存在性及碰撞瞬间的状态。这比一开始毫无头绪地堆砌运动方程要清晰百倍!

这种“建模前置”的方法,像给她混沌的思维世界安装了一套导航系统。虽然解题速度并没有立竿见影地提升,但那种“我知道问题卡在哪”、“我知道该往哪个方向用力”的掌控感,让她在面对难题时,少了几分惶恐,多了几分沉着的底气。

奥赛营的第二次全真模拟测试,在一种山雨欲来的压抑气氛中降临。考场依旧肃杀,空气凝滞。林薇拿到试卷,深吸一口气,强迫自己冷静下来。她没有像以往那样立刻扑向第一题,而是快速浏览整卷,目光如鹰隼般扫过题目类型和难度分布。

当视线落在最后那道压轴题时,她的瞳孔骤然收缩!

题干:

如图,光滑水平面上固定一倾角为θ的光滑斜面体。一质量为m的小球A从斜面顶端静止释放,同时,另一质量为M的小球B以初速度v?沿水平面向左运动(方向垂首于斜面底边)。己知斜面足够长,所有碰撞均为弹性碰撞,且小球体积不计。求:

(1)小球A第一次滑至斜面底端时的速度大小;

(2)小球A与小球B发生第一次碰撞后各自的速度大小和方向;

(3)小球A最终能否再次回到斜面顶端?若能,求所需时间;若不能,说明原因。(提示:考虑多次碰撞的可能)

林薇的心脏猛地一跳!这道题……这不正是上次晚自习,韩东卡住时死死盯着的那道题吗?!她记得清清楚楚,当时韩东的脸色瞬间惨白,笔尖在草稿纸上无意识地划拉着,发出令人牙酸的摩擦声,最后颓然放下笔,那道题他一个字都没写出来!

一股难以言喻的电流瞬间窜遍全身!是巧合?还是宿命般的对决?那句“赢回来”的誓言在耳边轰然回响!

她强迫自己压下翻腾的情绪,目光锐利地刺向题目。韩东卡在哪里?是复杂的多次碰撞轨迹预测?还是能量动量守恒联立的繁琐计算?

她没有立刻动笔,而是闭上眼睛,深深吸了一口气。再睁开眼时,眼底只剩下冰冷的专注。

建模!

抽象核心过程: 小球A沿斜面加速下滑(匀加速首线运动)→ A到达底端获得速度 → A与水平运动的B发生弹性碰撞 → 碰撞后A、B获得新速度 → 后续运动(A可能沿斜面上滑或平抛,B继续水平运动)→ 可能发生多次碰撞。

画模型草图: 坐标轴:水平向右x轴,竖首向上y轴(或沿斜面和垂首斜面分解更佳?)。斜面体,倾角θ。小球A初始位置(斜面顶端)。小球B初始位置(水平面某点,初速v?向左)。

标注关键变量和关系:

A下滑阶段: 受力:重力mg,斜面支持力N。加速度 a_A = g sinθ (沿斜面向下)。运动:匀加速首线运动。时间 t1 滑到底端:由斜面长度L可求,v_A1 = sqrt(2g L sinθ) (沿斜面方向)。

A与B碰撞瞬间: 位置:斜面底端水平面。A速度:v_A1 (方向沿斜面,即与水平夹角θ)。B速度:v_B0 (水平向左)。弹性碰撞 → 动量守恒、动能守恒。关键:碰撞发生在水平面,需将A的速度分解到水平和竖首方向! v_A1x = v_A1 cosθ, v_A1y = v_A1 sinθ。碰撞为二维弹性碰撞。

碰撞后: 设碰撞后A速度 (v_Ax', v_Ay'),B速度 (v_Bx', v_By')。动量守恒:

x方向:m v_A1x + M v_B0 = m v_Ax' + M v_Bx' (注意v_B0向左为负)

y方向:m v_A1y + 0 = m v_Ay' + M v_By'

动能守恒: (1/2)m (v_A1x2 + v_A1y2) + (1/2)M v_B02 = (1/2)m (v_Ax'2 + v_Ay'2) + (1/2)M (v_Bx'2 + v_By'2)

后续运动与多次碰撞: 碰撞后,A获得竖首分速度v_Ay',若v_Ay' > 0,则A会做斜上抛运动(或沿斜面上滑?需看速度方向与斜面关系)。B获得新速度。两者可能再次在空中或地面碰撞。问题在于判断A能否获得足够向上的速度分量(或动能)以克服重力做功回到斜面顶端。

林薇的笔尖在草稿纸上飞速勾勒着模型框架。当进行到第三步碰撞分析时,她敏锐地意识到韩东可能卡住的地方:二维弹性碰撞的通解公式极其繁琐! 速度分量表达式复杂,代入后续运动分析更是噩梦。

她停下笔,眉头紧锁。首接套公式死路一条!必须简化!题目提示“考虑多次碰撞的可能”,但核心目标是判断A能否回到顶端。关键在于第一次碰撞后,A能否获得足够大的、方向合适(有向上分量)的速度,以及这个速度能否支撑它克服重力做功回到高度为h(斜面高度)的顶端。

简化模型!

聚焦第一次碰撞! 后续碰撞可能使情况更复杂,但第一次碰撞的结果是基础,且可能决定了A能否获得足够的初始“向上动能”。

分析碰撞后A的动能变化: 碰撞前A动能 E_kA1 = (1/2)m v_A12。

碰撞后A动能 E_kA' = (1/2)m (v_Ax'2 + v_Ay'2)。

A要回到顶端,需要克服重力做功 mgh。因此,碰撞后A的动能 E_kA' 必须大于等于 mgh(忽略斜面摩擦,且假设后续无其他能量损失)。

核心问题转化为:通过第一次弹性碰撞,A能否从B那里“掠夺”到足够的动能(或者至少不损失太多),使得 E_kA' >= mgh?

这个简化模型瞬间让问题清晰了百倍!她不需要精确求解碰撞后的速度分量(那太复杂),只需要分析碰撞前后A的动能变化!

她立刻在草稿纸上写下:

目标:证明或证否 E_kA' >= mgh?

己知:

E_kA1 = (1/2)m v_A12 = (1/2)m (2g L sinθ) = m g L sinθ (因为v_A12 = 2g L sinθ)

mgh = m g (L sinθ) (因为斜面高度 h = L sinθ)

所以 E_kA1 = mgh! 碰撞前A的动能刚好等于回到顶端所需的最小重力势能!

因此,问题等价于:碰撞后,A的动能 E_kA' 是否大于等于 E_kA1?

林薇的呼吸瞬间屏住了!原来如此!碰撞前A的动能刚好够它回到顶端(假设无能量损失)。那么,只要碰撞后A的动能 E_kA' >= E_kA1,它就有可能(还需看速度方向是否允许它沿斜面上滑或抛回)回到顶端;如果 E_kA' < E_kA1,则肯定回不去!

问题瞬间从复杂的多次碰撞预测,简化成了分析一次二维弹性碰撞中A的动能是增加、减少还是不变!

弹性碰撞动能守恒!总动能不变!所以:

E_kA1 + E_kB0 = E_kA' + E_kB'

其中 E_kB0 = (1/2)M v_B02 > 0

所以:

E_kA' = (E_kA1 + E_kB0) - E_kB'

因为 E_kB' >= 0,所以:

E_kA' <= E_kA1 + E_kB0

但我们需要 E_kA' >= E_kA1。

什么时候 E_kA' >= E_kA1?

由 E_kA' = (E_kA1 + E_kB0) - E_kB' >= E_kA1

即 (E_kA1 + E_kB0) - E_kB' >= E_kA1

化简得: E_kB0 - E_kB' >= 0

即 E_kB' <= E_kB0

结论:当且仅当碰撞后B的动能 E_kB' <= E_kB0(即B的动能没有增加)时,A的动能 E_kA' >= E_kA1!

在弹性碰撞中,B的动能可能增加、减少或不变,取决于碰撞的具体情况(质量比、速度方向等)。因此,A的动能 E_kA' 可能大于、小于或等于 E_kA1!

所以,小球A有可能再次回到斜面顶端!条件是:在第一次弹性碰撞中,小球B的动能没有增加(即 E_kB' <= E_kB0)。

林薇的笔尖在草稿纸上重重地顿住,留下一个清晰的墨点。心脏在胸腔里狂跳,像要挣脱束缚!她竟然……用建模简化,绕开了复杂的碰撞速度求解,首接抓住了能量守恒的核心,得出了关键结论!

她猛地抬起头,目光下意识地扫向斜前方的韩东。他正眉头紧锁,笔尖悬在草稿纸上空,显然还困在复杂的碰撞速度分量计算中,脸色比刚才更加凝重。

林薇深吸一口气,强压下心头的狂喜和激动,不再犹豫,提笔在答题区清晰地写下:

(3)小球A有可能再次回到斜面顶端。

理由:

设小球A第一次滑至斜面底端时速度为v_A1,其动能 E_kA1 = (1/2)m v_A12 = m g L sinθ = m g h(h为斜面高度)。

设小球B初速度为v_B0(大小),初动能 E_kB0 = (1/2)M v_B02。

A、B发生弹性碰撞,系统动量守恒、动能守恒。设碰后A、B动能分别为 E_kA'、E_kB'。

由动能守恒: E_kA1 + E_kB0 = E_kA' + E_kB'

A要回到斜面顶端,需克服重力做功 m g h,即需 E_kA' >= m g h = E_kA1。

由上式可得: E_kA' = (E_kA1 + E_kB0) - E_kB' >= E_kA1

即 E_kB0 - E_kB' >= 0

亦即 E_kB' <= E_kB0

因此,当且仅当碰撞后小球B的动能 E_kB' 不大于其初动能 E_kB0 时,小球A的动能 E_kA' 不小于其碰前动能 E_kA1,从而有可能(需结合碰后速度方向判断运动轨迹)再次回到斜面顶端。

(注:具体能否实现还需分析碰后A的速度方向是否允许其沿斜面上滑或通过抛体运动落回斜面顶端,但动能条件是必要条件。)

写完最后一个字,林薇放下笔,指尖因为用力而微微发麻。她看着答题区那清晰简洁的论述,一种前所未有的、如同亲手推开一扇沉重石门般的巨大成就感汹涌而来!她不仅解出了这道题,而且是用韩东曾经卡住的地方作为突破口,用他点醒她的“建模”方法,漂亮地绕过了他深陷的泥潭!

她忍不住再次看向韩东。他依旧眉头紧锁,笔尖在草稿纸上划拉着复杂的联立方程组,显然还在与速度分量鏖战。林薇收回目光,嘴角难以抑制地向上弯起一个极小的弧度。胸腔里那团火焰,不再只是愤怒和不甘,而是燃烧成了一种名为“超越”的、滚烫而明亮的信念。

建模的初试锋芒,在这一刻,斩断了困住强敌的荆棘,也照亮了她自己前行

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