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電場と電位・コンデンサーの問題

難易度 1教科書の例題レベル高校物理 電場と電位・コンデンサー

真空中で、 軸上の原点 O に電気量 の正の点電荷が固定されている。 軸上の の点を P とする。点 P に電気量 の点電荷を置く。点電荷 のつくる電場だけを考え、クーロンの法則の比例定数を とする。 軸の正の向きを正として、点 P の点電荷が受ける静電気力の 成分は何 N か。有効数字 2 桁で求めよ。

OP

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(6 技能)
算数中学高校大学大学院

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一覧で見る(前提が先)
  1. 力の種類とはたらき
  2. 静電気・放電と電子
  3. 帯電と電気量保存の法則
  4. クーロンの法則と電場・電気力線
  5. クーロンの法則
  6. 点電荷のつくる電場

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

技能「点電荷のつくる電場」を使います。まず点 P に がつくる電場の強さと向きを求め、次に を使います。

ヒント 2

電場の強さは です。正の点電荷の電場は、その電荷から遠ざかる向きです。負の電荷が受ける力は電場と逆向きです。

ヒント 3

で、向きは 軸の正の向きです。これに をかけます。

答えと解説

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解説を読む

手順 1:点 P の電場の強さを求める。
点電荷 が距離 の点につくる電場の強さは である。 なので

手順 2:電場の向きを決める。
正の点電荷のつくる電場は、その電荷から遠ざかる向きである。P は O から見て 軸の正の側にあるので、P の電場は 軸の正の向きである。したがって、電場の 成分は である。

手順 3:電荷 が受ける力を で求める。

が負なので、力は電場と逆向き( 軸の負の向き、つまり O に引き寄せられる向き)になる。これは、正電荷と負電荷が引き合うことと一致している。

よって、求める力の 成分は である。

別解

クーロンの法則より、力の大きさは である。ここで である。

分子は 、分母は である。

よって となる。

Q は正、q は負なので力は引力で、P から原点 O の向き、つまり 軸の負の向きにはたらく。したがって 成分は N である。

検算:電場の大きさは で、向きは である。力は となり、一致する。

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