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。
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。
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 ✓
$V_\mathrm{AB} = Ed'$ 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)。
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。
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。
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
$$K = W = 3.2 \times 10^{-18}\;\text{J}$$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。
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。