電場と電位・コンデンサーの問題
真空中で、点 に電気量 の点電荷を固定する。 から右向きに 離れた点を とする。点 に電気量 の点電荷を置いた。この点電荷が受ける静電気力を、右向きを正として、単位を とし、有効数字 2 桁で求めよ。ただし、クーロンの法則の比例定数を とし、重力の影響は考えない。
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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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」を使う。まず点 P の電場の強さと向きを求め、そのあと で力を求める。
ヒント 2
電場の強さは 。負の点電荷のつくる電場は、その電荷に向かう向きになる。負の電荷 が受ける力は電場と逆向き。
ヒント 3
で、向きは左向き(右向きを正とすると負)。
答えと解説
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解説を読む
技能「点電荷のつくる電場」を使い、まず点 の電場を求め、次に で力を求める。
手順 1: 電場の強さ
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
電場は「正の単位電荷が受ける力の向き」である。 は負なので、正の電荷は に引きよせられる。よって点 の電場は に向かう向き、つまり左向きである。右向きを正とすると、電場は 。
手順 3: 力
正なので力は右向き( から遠ざかる向き)である。 と はどちらも負で同符号なので、たがいに退け合う(斥力)ことと一致する。
よって、求める力は である。
別解
クーロンの法則より、力の大きさは である。分子は 、分母は なので、 となる。これに を掛けて を得る。
も も負で同符号なので、力は斥力である。P は O の右にあるので、P の電荷は O から遠ざかる向き、つまり右向きに力を受ける。右向きを正とするので、力は N である。
検算: N/C である。 の大きさは N となり、一致する。