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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、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。

正の向き

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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  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。

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