電場と電位・コンデンサーの問題
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。
この問題で使うもの
- 点電荷のつくる電場(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(6 技能)
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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
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。