基本例題70 一様な電場内での陽イオンの運動

設問(1) 電場ベクトル $\vec{E}_\mathrm{A}$, $\vec{E}_\mathrm{B}$

直感的理解
$V$-$x$ グラフが直線ということは、電場が一様(場所によらず一定)であることを意味します。グラフの傾きの絶対値が電場の強さ電位が下がる向きが電場の向きです。

読み取り:グラフより $V$ は $x = 0$ で 30 V、$x = 0.060$ m で 0 V。直線なので一様な電場。

電場の強さ:

$$E = \frac{V}{d} = \frac{30}{0.060} = 5.0 \times 10^2\;\text{V/m}$$

電場の向きは、高電位→低電位、すなわち $x$ 軸の正の向き。$\vec{E}_\mathrm{A}$, $\vec{E}_\mathrm{B}$ ともに同じ。

答え:
$$E_\mathrm{A} = E_\mathrm{B} = 5.0 \times 10^2 \text{ V/m}$$ 向きは $x$ 軸の正の向き。
Point

一様な電場では $E = \dfrac{V}{d}$。$V$-$x$ グラフの傾きの絶対値が電場の強さ。

設問(2) AB間の電位差 $V_\mathrm{AB}$

直感的理解
電位差 $V_\mathrm{AB}$ は「A の電位 - B の電位」。グラフから直接読み取れます。AB 間の電位差は $E \times d'$ とも計算でき、整合性を確認できます。

グラフから $V_\mathrm{A} = 30 - 500 \times 0.020 = 20$ V、$V_\mathrm{B} = 30 - 500 \times 0.040 = 10$ V

検算:$V_\mathrm{AB} = Ed' = 5.0 \times 10^2 \times 0.020 = 10$ V ✓

答え:
$$V_\mathrm{AB} = 10 \text{ V}$$
Point

$V_\mathrm{AB} = Ed'$ が成り立つのは一様な電場のときのみ。$d'$ はAB間の距離(電場方向の成分)。

設問(3) イオンが受ける力 $F$

直感的理解
正電荷は電場の向きに力を受けます。$F = qE$ は「電荷×電場」というシンプルな式です。

立式:

$$F = qE = 3.2 \times 10^{-19} \times 5.0 \times 10^2 = 1.6 \times 10^{-16}\;\text{N}$$

向きは電場の向き($x$ 軸正方向)。正の陽イオンなので電場と同じ向きに力を受けます。

答え:
$$F = 1.6 \times 10^{-16} \text{ N}$$
Point

電荷が電場から受ける力:$F = qE$。正電荷は電場の向き、負電荷は電場と逆向きに力を受ける。

設問(4) 点Bでの運動エネルギー $K$

直感的理解
電場がイオンにした仕事 $W = qV_\mathrm{AB}$ は、すべて運動エネルギーに変換されます。初速ゼロなので $K = W$ です。エネルギーバーで、位置エネルギーが運動エネルギーに移り変わる様子が見えます。

立式:電場がする仕事は経路によらず

$$W = qV_\mathrm{AB} = 3.2 \times 10^{-19} \times 10 = 3.2 \times 10^{-18}\;\text{J}$$

初速ゼロから出発するので、運動エネルギー定理より

$$K = W = 3.2 \times 10^{-18}\;\text{J}$$
答え:
$$K = 3.2 \times 10^{-18} \text{ J}$$
補足:力と加速度から求める別解

エネルギーではなく、力と等加速度運動の公式からも求められます。

力 $F = qE = 3.2 \times 10^{-19} \times 5.0 \times 10^2 = 1.6 \times 10^{-16}$ N

仕事 $W = Fd = 1.6 \times 10^{-16} \times 0.020 = 3.2 \times 10^{-18}$ J

初速ゼロなので $K = W = 3.2 \times 10^{-18}$ J と一致します。一様な電場では $W = Fd$ と $W = qV$ のどちらでも同じ結果になりますが、電位差を使う方が経路によらず適用できるため汎用性が高いです。

Point

電場がする仕事 $W = qV$(電荷×電位差)。静電気力は保存力なので、経路によらず仕事は電位差だけで決まる