《电磁学》随堂测验的考场内,气氛压抑得仿佛能拧出水来。发布页LtXsfB点¢○㎡
窗外的阳光明媚,鸟儿在枝
欢快地鸣叫,但这一切的美好,都与教室内这些正被麦克斯韦方程组无
蹂躏的灵魂们无关。他们此刻唯一的愿望,大概就是时间能够瞬间快进到考试结束,或者
脆来一场突如其来的陨石撞击,将这该死的试卷连同“灭绝师太”赵兰君教授一同送往外太空。
刘明抓耳挠腮,面前的
稿纸已经快被他画成了一幅后现代主义的抽象派大作——充满了各种扭曲的积分符号、不知所云的矢量箭
,以及代表着他内心绝望的涂鸦。他感觉自己的脑细胞正在以每秒百万个的速度阵亡,残存的那些也已经集体躺平,放弃了抵抗。
“这第一题……计算一个不规则形状带电体在空间某点的电场强度……这不规则形状是要闹哪样啊?!好歹给个球体、柱体也行啊!这玩意儿,用高斯定理都不知道从哪里下手!”刘明在心中疯狂吐槽,手中的笔在
稿纸上戳来戳去,仿佛想把出题
戳成筛子。
他偷偷瞄了一眼旁边的王磊。王磊的眉
拧成了一个疙瘩,额
上汗珠密布,显然也陷
了苦战。不过,学霸的底子毕竟还在,他正咬着笔杆,艰难地在
稿纸上列着一些看起来很高级,但刘明一个都看不懂的公式。
再看另一边的陈浩,
况似乎稍好一些,他正埋
奋笔疾书,但紧锁的眉
和时不时停下来长吁一
气的动作,也
露了他此刻内心的挣扎。
整个考场,弥漫着一种“学海无涯,回
太难”的悲壮气息。
唯有秦风,依旧是那个画风清奇的存在。
他端坐在座位上,腰背挺直,神
专注而平静。手中的笔不疾不徐地在答题纸上划过,发出均匀而富有节奏的“沙沙”声。那感觉,不像是参加一场决定“生死”的测验,倒像是在进行一场优雅的书法创作。
试卷上的题目,在其他同学眼中如同拦路猛虎、
渊巨坑,但在秦风看来,却像是幼儿园小朋友玩的连线题,简单而直白。
第一题,计算不规则带电体的电场强度。
在其他同学还在为如何建立坐标系、如何选择积分元而
疼不已的时候,秦风的脑海中,系统知识库已经自动调取了十几种处理此类问题的经典模型和进阶技巧。
“嗯,这个形状……虽然不规则,但其电荷分布似乎具有某种隐藏的对称
……可以考虑引
多极展开的思想,将其等效为若
个点电荷、电偶极子、电四极子的叠加……”
秦风的嘴角微微上扬,露出一抹了然的笑容。地址发布邮箱 LīxSBǎ@GMAIL.cOM
他并没有直接采用最原始、最繁琐的电荷元积分法,而是巧妙地运用了格林函数和多极展开的方法,将一个看似复杂无比的积分问题,化解为一系列相对简单的代数运算。
其思路之巧妙,步骤之简洁,简直令
叹为观止。如果此刻有其他物理系教授看到他的解题过程,恐怕会当场惊呼:“这特么是大一新生能想到的解法?这分明是研究生级别的技巧!”
第二题,求解一个具有混合边界条件的拉普拉斯方程。
这道题更是让无数英雄好汉竞折腰。传统的直角坐标系或柱坐标系下的分离变量法,在这里会遇到巨大的困难,因为边界条件实在太过奇葩。
“混合边界条件……嗯,可以考虑使用保角变换,将这个不规则的求解区域,映
到一个规则的区域,比如圆形或者半平面,然后再利用镜像法或者格林函数求解……”
秦风的笔尖在
稿纸上飞快地勾勒着几个复变函数的变换公式,眼神中闪烁着智慧的光芒。
保角变换!这可是复变函数理论中相当高阶的应用,通常只在研究生阶段的《数学物理方法》课程中才会重点讲解。而秦风,此刻却信手拈来,运用自如,仿佛吃饭喝水一般简单。
他甚至还在解题过程中,引
了一些关于“黎曼面”的初步概念,来更清晰地阐述变换过程中的多值函数问题。其论证之严谨,思维之
邃,已经远远超出了本科教学大纲的要求。
第三题,关于复杂载流导线产生的磁场分布。
这道题的难点在于矢量运算的复杂
和对安培环路定理、毕奥-萨伐尔定律的灵活运用。
秦风略微思索了片刻,便放弃了直接积分的“笨办法”。
“对于这种具有一定对称
的电流分布,或许可以尝试引
磁矢势的概念,先求解磁矢势,再通过旋度运算得到磁感应强度,这样可以大大简化计算过程……”
磁矢势!这又是一个通常在电动力学高阶课程中才会重点讨论的概念!
秦风不仅准确地写出了磁矢势的定义式和求解方程,还在推导过程中,巧妙地运用了斯托克斯定理和一些矢量分析的恒等变换,使得整个解题过程行云流水,一气呵成。
其间,他还对题目中一个看似不起眼的条件进行了
挖掘,指出了在特定近似下,该电流分布可以等效为一个磁偶极子,并给出了其远场磁场的近似表达式。这种
察力和对物理本质的把握,简直不像一个刚刚接触电磁学一个多月的大一新生!
第四题,电磁感应与暂态过程的分析。
这道题涉及到一个包含电感、电容、电阻的复杂RLC电路,在接
电源或断开电源的瞬间,电路中电流和电压的瞬态响应。
“嗯,典型的二阶线
非齐次微分方程……可以用拉普拉斯变换来求解,也可以用常数变易法……不过,考虑到初始条件的复杂
,拉普拉斯变换似乎更为便捷……”
秦风在
稿纸上迅速写下拉普拉斯变换的算子和常用变换对,然后将电路方程从时域转换到复频域(s域),在s域中进行代数运算求解,最后再通过拉普拉斯反变换,得到时域的解。
整个过程,思路清晰,步骤严谨,各种数学工具的运用娴熟无比。
更令
拍案叫绝的是,在求解出电流的瞬态表达式后,秦风并没有就此打住。他还进一步分析了电路参数在不同取值
况下(欠阻尼、临界阻尼、过阻尼),电路的响应特
,并画出了相应的波形示意图。甚至,他还简要提及了在实际工程应用中,如何通过调整电路参数来优化系统的暂态响应,避免振
或过冲。
这种从理论到实践,从纯粹计算到工程应用的延伸思考,已经完全超出了一个普通本科生答题的范畴,更像是一份小型研究报告的摘要!
最后一题,也就是那道综合
最强、难度最高的关于电磁波在导电介质中传播与衰减的题目。
当大部分学生还在为如何正确写出复数形式的麦克斯韦方程组而抓狂时,秦风已经开始从波动方程
手,推导电磁波在导电介质中的色散关系和衰减系数了。
他不仅准确地给出了电磁波在良导体和不良导体中传播的近似表达式,还进一步讨论了“趋肤效应”的物理本质和计算趋肤
度的公式。
更令
震惊的是,在他的答卷末尾,他还简要提及了电磁波在等离子体中的传播特
,并引用了等离子体频率ωp=ne2m?0\omega_p = \sqrt{\frac{ne^2}{m\epsilon_0}}ωp=m?0ne2 这个在等离子体物理中至关重要的公式,来说明电磁波在等离子体中传播与截止的条件。
等离子体物理!这可是物理学中一个相当专门的分支,通常是高年级本科