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第 2 题

初始带电量为 Q0Q_0 的电容器 CC 在 t=0t=0 时接入电阻 RR。假设没有外部电源,求电荷 Q(t)Q(t)、电流 I(t)I(t) 及截至时刻 tt 的总焦耳热。 每个阶段均用相应的守恒定律或运动方程描述;题中说明为恒定的量在该阶段保持不变。(a) 写出各阶段的控制物理关系。(b) 根据给定初始条件和约束求出所问物理量。(c) 检查结果的符号、量纲及其物理极限。 在此理想化下,明确所用守恒量及各力的方向,并利用阶段边界条件依次确定未知量。答案应以已知量表示,并对题目要求的每一项给出物理上允许的取值。 还应核对所用近似的适用条件,并确认所得结果与初态、末态条件相容。式中符号均指题干已经定义的物理量。 推导时须逐段应用相应关系,并明确采用的符号约定与物理条件。 对于每个结果,还要结合已知参数的范围判断其正负、大小及适用情形,不能仅给出未经解释的公式。 请逐项说明物理依据,并验证结果与题设约束一致。 并说明所选根的理由。
dQdt=−QRC,Q(t)=Q0e−t/(RC)\frac{dQ}{dt}=-\frac{Q}{RC},\qquad Q(t)=Q_0e^{-t/(RC)}
problems.proof.analysis

分离变量得 dQ/Q=−dt/(RC)dQ/Q=-dt/(RC);利用初始条件 Q(0)=Q0Q(0)=Q_0 积分得到指数衰减。 该结论由选定的物理模型和给定初始条件推出;整个推导中必须保持符号约定一致。量纲检查可在解释结果前发现代数错误。

problems.proof.pitfall. 不要混淆正方向约定,也不要漏掉系统约束;得出结论前检查符号和单位。