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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

平面上の点 と点 に、電気量がどちらも の点電荷を固定する。ただし 、 とし、点電荷は真空中にあるものとする。クーロンの法則の比例定数を とする。原点 における合成電場の強さを、, , を用いて表せ。

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(32 技能)

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

電場の重ね合わせを使います。まず A の電荷と B の電荷が、それぞれ単独で原点 O につくる電場を求めましょう。

ヒント 2

点電荷が距離 の点につくる電場の強さは で、正電荷なら電荷から遠ざかる向きです。2 つの電場を 成分・ 成分で表して足します。

ヒント 3

A の電荷による電場は 、B の電荷による電場は です。この和の大きさを三平方の定理で求めます。

答えと解説

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解説を読む

手順1:それぞれの点電荷が原点 O につくる電場を求める。

点 A の電荷 と O の距離は なので、A の電荷が O につくる電場の強さは

です。 なので電場の向きは A から遠ざかる向き、つまり 軸の負の向きです。

同様に、点 B の電荷が O につくる電場の強さは

で、向きは B から遠ざかる向き、つまり 軸の負の向きです。

手順2:電場を成分で表す。

手順3:ベクトルの和をとる(電場の重ね合わせ)。
合成電場は 2 つの電場のベクトルの和なので、成分ごとに足して

手順4:大きさを求める。

よって、原点 O における合成電場の強さは です。

別解

点 A(a, 0) の電荷が原点につくる電場の強さは で、Q>0 なので向きは A から遠ざかる向き、つまり 向きである。点 B(0, a) の電荷がつくる電場の強さも で、向きは 向きである。2つの電場は直交しているので、合成電場の強さは となる。
検算:成分表示で となり、大きさは で一致する。向きは 方向、つまり原点から点 (a/2, a/2) と反対の向きである。

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