電場と電位・コンデンサーの問題
真空中で、点 に電気量 の点電荷を、点 に電気量 の点電荷を固定する()。線分 の長さは である。線分 上に、、 となる点 をとる。クーロンの法則の比例定数を とし、電位の基準を無限遠(無限遠の電位を )とする。2 つの点電荷が点 につくる電位を、, , を用いて表せ。
この問題で使うもの
- 点電荷の電位と電位の重ね合わせ(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(49 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。
一覧で見る(前提が先)
- 力の種類とはたらき
- 静電気・放電と電子
- 帯電と電気量保存の法則
- クーロンの法則と電場・電気力線
- クーロンの法則
- 点電荷のつくる電場
- 四則の混じった計算の順序
- 三角形・四角形の面積
- 分数のたし算・ひき算
- 小数の四則計算
- 正負の数の加法・減法
- 分数のかけ算・わり算
- 正負の数の乗除・累乗と四則混合
- 約数の見つけ方
- 素因数分解と約数の個数
- 平方根の意味と根号の簡単化
- 三平方の定理
- 特別な直角三角形の辺の比
- 小数と分数のまじった計算
- 最大公約数と最小公倍数
- 比の性質と簡単な比
- 三角形の角の大きさ
- 相似な三角形と長さの比
- 対頂角と平行線の同位角・錯角
- 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
- 三角比の定義と値
- 三角形の外角と角の組み合わせ
- 逆算(□ を求める)
- 分配法則を使った計算のくふう
- 文字式の計算(同類項・分配法則)
- 1 次方程式の解き方
- 二等辺三角形の角
- 平行四辺形と特別な四角形の性質
- 乗法公式による展開
- 折り返した図形の角と長さ
- 三平方の定理と平面図形
- ベクトルの演算と成分
- 重力と力の大きさ
- 2 力のつり合いと作用・反作用
- 重力・垂直抗力・張力の性質
- 慣性の法則と力のつり合い
- 力の分解と質点のつり合い
- 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
- 静止摩擦力と動摩擦力
- 仕事
- 弾性力とフックの法則
- 重力と弾性力の位置エネルギー
- 電位・等電位面と電場の関係
- 点電荷の電位と電位の重ね合わせ
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
点電荷のつくる電位 を使い、2 つの電荷それぞれによる電位を求めてから足し合わせます。
ヒント 2
電位はスカラーなので、向きは考えず、電気量の符号( と )をそのまま式に入れて和をとります。
ヒント 3
点 A の電荷による電位は 、点 B の電荷による電位は です。あとはこの 2 つを通分して足します。
答えと解説
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解説を読む
無限遠を基準とすると、電気量 の点電荷から距離 の点の電位は です。電位は向きをもたないスカラーなので、複数の点電荷がある場合は、それぞれの電位を符号をつけたまま足し合わせます(電位の重ね合わせ)。
手順 1:点 A の電荷()による点 P の電位
距離は なので
手順 2:点 B の電荷()による点 P の電位
距離は で、電気量が負なので電位も負になります。
手順 3:足し合わせる
よって、点 P の電位は です。電場のようにベクトルの向きを考える必要はなく、距離と電気量の符号だけで計算できる点がポイントです。
別解
点電荷がつくる電位は、電気量 、距離 に対して (無限遠を基準)である。電位はスカラーなので、2 つの電荷による電位の和を求める。
点 A の電荷 による電位は、 より 。
点 B の電荷 による電位は、 より 。
合成電位は 。
検算として、 を代入すると となり、結果と一致する。