応用問題494 電子の運動の重力の影響

設問(1) 極板Bに到達するまでの時間 $t$

直感的理解
電子は電場からの力と重力の両方を受けます。ただし電子の質量は極めて小さいので、重力の影響は電場による偏向に比べて無視できるほど小さいことが多いです。

$x$ 方向:等速直線運動で $x = v_0 t$

極板Bに到達する時間は極板の長さ $L$ から:

$$t = \frac{L}{v_0}$$

$y$ 方向:電場の力と重力の両方がはたらきます。

重力のない場合(電場のみ)の偏向量(点P):

$$y_E = \frac{1}{2} \cdot \frac{eE}{m} \cdot t^2 = \frac{eEL^2}{2mv_0^2}$$

重力のみによる追加偏向量(距離PQ):

$$PQ = y_g = \frac{1}{2}gt^2 = \frac{gL^2}{2v_0^2}$$

数値評価:電場の力と重力の比を計算します。$g = 9.8$ m/s$^2$, $m = 9.1 \times 10^{-31}$ kg, $e = 1.6 \times 10^{-19}$ C, $E = 1.0$ V/m のとき

$$\frac{mg}{eE} = \frac{9.1 \times 10^{-31} \times 9.8}{1.6 \times 10^{-19} \times 1.0} = \frac{8.9 \times 10^{-30}}{1.6 \times 10^{-19}} \fallingdotseq 5.6 \times 10^{-11}$$

重力は電気力の約 $10^{-11}$ 倍しかなく、PQ は極めて小さく重力の影響は無視できます。

答え:
$$PQ = \frac{gL^2}{2v_0^2} \quad \text{(重力の影響は無視できるほど小さい)}$$
補足:なぜ電子の重力は無視できるか

電子の質量は $9.1 \times 10^{-31}$ kg と極めて小さいため、電子に働く重力 $mg \sim 10^{-29}$ N は電場からの力 $eE \sim 10^{-19}$ N と比べて $10^{10}$ 倍以上小さく、通常の実験条件では完全に無視できます。

Point

電子の運動で重力は通常無視できる。$mg \ll eE$ であることを確認すること。