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【問題演習】電磁気11~20|物理基礎・高校物理編

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【電磁気11】電界(電場)の合成 斜めver.

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

電界(電場)ベクトルなので、足し方に注意が必要です。

\(\displaystyle E=k\frac{q}{r^2}\) の公式を使って求めることができるのは大きさのみです。

つまりベクトルの大きさを表しているだけなので、ちゃんと作図をしながら合成しましょう

 

 

【電磁気12】電子の加速

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

電気量 \(q\) の電荷がもつ電気的な位置エネルギー \(U\) を求める公式を覚えておきましょう。

\(U=qV\)
\(V\):電荷がいる場所の電位

 

電位は「高さ」というイメージです。

<プラスの電荷から見たとき>

  • プラス →高い位置
  • マイナス→低い位置

<マイナスの電荷から見たとき>

  • プラス →低い位置
  • マイナス→高い位置

解説のように、立体図としてイメージできるようにしておきましょう。

 

【電磁気13】静電気力のした仕事

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

(はじめのエネルギー)+(外力のした仕事)=(あとのエネルギー)

エネルギーの差を求めることで、外力のした仕事がわかります。

電位が大きいほうへ移動させるので、静電気力の向きと外力の向きは逆向きになります。

なので外力のした仕事を求めれば、それと符号を逆転させたものが静電気力のした仕事になるということです。

 

 

【電磁気14】ガウスの法則

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

誘電率 \(ε\) の媒質中において、ある閉曲面を垂直に貫く電気力線の本数は、その閉曲面の内部に存在する電気力 \(Q\) に比例し、\(\frac{Q}{ε}\) に等しい。

電界(電場)の大きさは、単位面積を貫く垂直な電気力線の本数と等しくなります。

閉曲面は「球」「円柱」を選ぶのが基本です。

今回は球を用いたので、電界に球の表面積 \(4πr^2\) をかけることで、球を貫く電気力線の総本数がわかります。

 

【電磁気15】円柱型ガウスの法則

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

電気量 \(Q\) の電荷を囲む閉曲面を考えたとき、この曲面から外に出る電気力線の数は \(4πkQ\) 本となる。

第14問も合わせて、解答を見ずに解けるよう練習しましょう!

 

 

【電磁気16】コンデンサーの合成電気容量

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

2個以上のコンデンサーを1個のコンデンサーとして考えたとき、そのコンデンサーの電気容量のことを合成電気容量と呼びます。

並列と直列で求め方が違うので、混同しないように整理して覚えておきましょう。

並列のとき直列のとき
\(C=C_1+C_2\)\(\displaystyle\frac{1}{C}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}\)

コンデンサーを苦手としてる人の原因は、コンデンサーのイメージが湧いていない場合が多いです。

こちらからコンデンサーのイメージを確認してみましょう!

 

【電磁気17】極板間の金属板と電界

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

金属板のような導体の持ってる電子を自由電子と呼びます。

自由電子が電界から力を受け、金属板の端に正負の電荷が移動することを静電誘導と呼ぶので、合わせて覚えておきましょう!

静電誘導が進むにつれて、金属板内の電界が弱まっていく。

いずれ電界が打ち消されて、金属板内の電荷が力を受けなくなったら移動が終了します。

 

 

【電磁気18】自由電子の平均移動速度

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

電流の大きさは、ある断面を単位時間に通過する電気量と等しい
\(I=envS\)

電子の移動速度が問われたときには、まず電流の定義が思い浮かぶようにしておきましょう。

問題文で与えられてる文字が何なのかチェックし、オームの法則や、抵抗値の式を使って変形していけばOKです。

与えられてない文字が、最終的な答えに残らないように気をつけましょう!

 

【電磁気19】抵抗と直流回路

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

  1. 抵抗を流れる電流の矢印を書く
  2. 最小限の未知数の量で、電流の大きさを設定する
  3. ②の電流と同じ数だけ、キルヒホッフの第二法則の式を作る
  4. 質問に合わせて計算する

電流の大きさや電位、電位差については、基本解法通りに進めれば簡単に解くことができます。

回路問題が苦手な場合は、電位に注目して立体的に見れるようになることが重要です。

基本解法と一緒に「高い・低い」の見方もマスターしましょう!

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