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程榭的解法却极具几何直观:“当两球第一次共线时,在质心系中,它们正好处于‘两端’。”他画出两个小球的位置关系,“此时绳与初速度方向夹角θ满足能量和角动量守恒。”
全班安静无声,只有粉笔与黑板碰撞的哒哒声。两种不同的思维在黑板上展开竞技。
君谦的推导已经进行到关键步骤。他引入绳与初速度方向的夹角θ作为参数,通过微积分求得角速度变化关系。他的计算详尽而精确,每一个步骤都清晰可循。
“由几何关系:v1相对质心的速度可分解为径向和切向...”君谦写下v_r和v_θ的表达式。
程榭却突然灵感迸发:“等等!这其实类似于开普勒问题!”他在黑板上画出一个椭圆,然後突然擦掉,“不对,是圆形的特例!两球在质心系中做圆周运动!”
这一洞察让几个後排的同学忍不住轻声惊叹。程榭迅速计算:“在质心系中,每个球绕质心做匀速圆周运动,半径L2,角速度ω。”
欧甜甜嘴角微微上扬,但什麽也没说。
君谦不为所动,继续他的方法。他已经推导出夹角θ随时间变化的关系,正在解第一次共线时的特殊条件。“当两球与质心共线时,相对速度方向垂直于连线...”他的粉笔一路向下,已经写了半面黑板。
程榭的解法更加简洁优雅:“由角动量守恒:mv0(L2)=2m(L2)^2*ω,所以ω=v0L”
他接着计算:“当两球第一次共线时,在质心系中,每个球的速度大小为ω*(L2)=v02,方向垂直于绳。”
然後转换回实验室系:“质心本身以速度v02沿初速度方向运动,所以每个球的速度为质心速度与相对质心速度的矢量合成。”
程榭迅速画出矢量合成图:“一球速度v1=v02+v02=v0,方向与初速度相同;另一球v2=v02-v02=0。”
结果出来的瞬间,教室里响起一阵倒吸凉气的声音。这麽复杂的问题,答案竟然如此简洁?
君谦的详细推导也得出了相同的结果。当他计算绳中张力时,两人的方法再次分道扬镳。
君谦通过运动方程和约束条件求二阶导数得加速度,再计算张力:“T=mω^2(L2)=m(v0L)^2(L2)=m*v0^2(2L)”
程榭则从能量角度考虑:“系统动能全部转化为转动能,张力提供向心力,直接T=m(v02)^2(L2)=mv0^2(2L)”
两人几乎同时得出了相同的结果。
黑板左右两侧,两种风格的解答相映成趣:一侧是工整详尽的解析推导,一侧是直观简洁的物理洞察。
欧甜甜终于走上前来,“完美。两种方法都是正确的。”
她转向全班:“君谦的方法系统而严谨,适合解决任何类似问题。程榭的方法巧妙而直观,抓住了物理本质。”顿了顿,又说:“最优秀的物理学家既需要君谦的严谨,也需要程榭的直觉。”
下课铃响起,同学们纷纷围到讲台前抄录两道解法。君谦和程榭各自放下粉笔,手上沾满了白色粉末。
“你的圆周转动想法很巧妙。”君谦轻声说,眼睛看着黑板。
程榭咧嘴一笑,“你的微分方程也很稳健,换道题可能就是我解不出来的了。”
“榭哥,等等!”周至贤指着黑板上那个简洁的圆和矢量图,拦住了正要离开的两人,“这个质心系转换的思路太神了,你怎麽想到的?”
程榭拍了拍手上的粉笔灰,漫不经心地倚在讲台边:“其实就像两个人拉着一根棍子旋转,站在中间看两边,自然就是对称的。”他拿起粉笔,又在那个圆上点了一下:“关键是意识到角动量守恒,mv0(L2)这个初始角动量,在质心系里就是系统的总角动量。”
许阅皱着眉头:“可是为什麽在质心系中一定是圆周运动呢?”
一直在一旁安静整理笔记的君谦忽然开口:“因为约束条件。”他走上前来,用依然干净的手指指着自己那半边黑板:“从运动方程可以看出,在质心系中,每个球到质心的距离恒为L2,所以运动轨迹必然是个圆。”
程榭点头:“没错,而且因为初始速度垂直于绳,切向速度立即就确定了。”他看向君谦:“你的微分方程虽然麻烦,但能推出一般情况下的运动规律。”
君谦微微颔首:“你的物理直觉直接抓住了对称性,跳过了繁琐的数学。”
周至贤和许阅在两人之间来回看着,忽然恍然大悟。许阅拍了下额头:“所以两种方法本质上是一样的,只是一个从数学推导出物理,一个从物理直觉简化数学?”
“嗯,有时最难的题,本就不止一种解法。”
程榭忽然问:“那本理论力学,能借我看看吗?”
君谦挑眉:“终于对‘迂回’的方法感兴趣了?”
“只是想知道你眼中的世界。”程榭说。
窗外,云朵飘过,形状变幻无穷,却都遵循着同样的天空。
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