小学算数1200756 views
LaTeX962443 views
高校倫理1440566 views
高校国語788489 views
数学講師2888672 views
中学数学623867 views
英語613995 views
高校生物551883 views
高校日本史190609 views
教育149532 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

一直線に並ぶ 3 電荷とクーロンの法則(合力の求め方)

離して 2 個置き、そのまん中に を置きます。まん中が受ける力は です。

右側だけを に入れ替えると になる。符号を 1 つ変えただけで、 が最大値に変わりました。

一直線に並んだ 3 個の電荷は、力を 1 本ずつ出して向きをそろえて足すだけで片づきます。

力は 1 本ずつ出して足す

クーロンの法則が与えるのは、電荷 2 個のあいだに働く力です[1]

電荷が 3 個あるときは、この式を 2 回使う。まん中の電荷が受ける力は、左の電荷から受ける 1 本と、右の電荷から受ける 1 本の合成です。

3 個目がいるからといって、他の 2 個のあいだの力が変わることはありません。これを重ね合わせの原理といいます[2,3]

自然界の力がすべてこう振る舞うわけではないので、当たり前ではない性質です。クーロン力については実験でよく確かめられています[3]

矢印の長さはどちらも同じです。変わるのは向きだけで、それが合力を にも にもします。

符号は向きにだけ使う

計算でつまずくのは、電荷の符号を式にそのまま入れてしまうときです。

クーロンの法則の分子は で、絶対値が入ります。マイナスを代入して負の力を出しても、その符号は一直線上の左右と対応しません。

手順を分けておくと崩れない。

大きさを絶対値で出す

同符号なら反発、異符号なら引力と決める

右向きを正として足す

向きを決めるのは、相手がどちら側にいるかと、符号の組み合わせの 2 つだけです。

反発なら相手から遠ざかる向き、引力なら相手に近づく向き。この対応さえ守れば、あとは足し算になります。

例:両端が同じ電荷なら打ち消す

、原点に を置きます。

左の電荷が原点の電荷に及ぼす力の大きさは、次のとおり。

同符号なので反発で、向きは右。右の電荷からも同じ大きさの力を受けますが、そちらは左向きです。

対称な配置なので、計算する前から だと分かります。左右で電荷も距離も同じなら、力は必ず釣り合う。

例:片方の符号を変えると足し算になる

右の電荷だけを に変えます。大きさは変わらないので のままです。

変わるのは向きだけ。異符号になったので引力で、原点の電荷は右へ引かれます。

左からの反発も右向きなので、2 本がそろって右を向きました。

両端が同符号

まん中を押す向きと引く向きが逆になり、大きさが同じなら になる

両端が異符号

押す向きと引く向きがそろい、大きさが同じなら 2 倍になる

大きさの計算をどれだけ丁寧にやっても、この向きの判断を間違えると答えは のあいだで振れます。

例:距離が違っても打ち消せる

左右で電荷の大きさが違っても、距離を調節すれば釣り合います。

、原点に とします。

右の電荷は 4 倍ですが、距離が 2 倍あります。

こちらも でした。電荷が 4 倍になっても、距離が 2 倍なら で割られて元に戻る。

電荷の比が距離の比の 2 乗と等しければ、まん中の電荷は動きません。

まん中の電荷は向きを反転させるだけ

原点の電荷を に変えても、釣り合いは崩れません。

左の電荷とのあいだは引力に変わり、原点の電荷は左へ引かれる。右の電荷とのあいだも引力になって、今度は右へ引かれます。

2 本とも向きが反対になっただけで、大きさは変わらない。合力は のままです。

まん中の電荷 は 2 本の力に 共通の因子 として掛かっています。

どちらの力にも同じ が掛かるので、 の大きさを変えても比は動かない。符号を変えれば 2 本ともそろって反転する。

つまり釣り合いの条件に、まん中の電荷は出てきません。両端の電荷と距離だけで決まります。

例:端の電荷が受ける力

まん中だけでなく、端の電荷が受ける力も同じ手順で出せます。

とします。

左端の電荷は、となりからも遠くからも押されます。どちらも左向き。

合わせて で、向きは左。端の電荷は、すべて同符号なら必ず外向きに押されます。

まん中の電荷はどうか。左から で右へ押され、右からは次の力で左へ押されます。

差し引き で左向き。大きいほうへ引き寄せられるのではなく、大きいほうから逃げる向きになります。

電荷の位置受ける合力向き

3 つの合力を全部足すと になります。 で、系全体には外から力が働いていない。

距離が 2 倍なら力は 4 分の 1

分母が なので、距離の効き方は電荷の効き方より急です。

電荷を 2 倍にすれば力も 2 倍。距離を 2 倍にすると力は になります。

一直線の問題では、この差が結果をひっくり返します。電荷が大きいほうが強いとは限らない。

グラフが左端で立ち上がる形が の効き方です。近づけるほど、わずかな差が大きな違いになります。

検算のしかた

出した合力が正しいかどうかは、極端な場合に戻すと分かります。

片方の電荷を にすれば、残った 1 本だけの力になるはず。両端をそっくり入れ替えれば、合力の向きだけが反転するはずです。

対称な配置に戻して になるかを見るのも早い。左右で電荷も距離も同じにしたとき、答えの式が にならなければ、途中で符号をとり違えています。

大きさの計算に符号を代入して、負の力を出す。
反発と引力の判断を、相手の位置と結びつけずに決める。
向きの違う 2 本を、そのまま足して大きさだけ合計する。
距離を 2 乗せずに代入する。 に直し忘れる。
まん中の電荷の大きさで釣り合いが変わると考える。

単位のとり違えはとくに多い。 で、掛け算では になります。

、原点に を置きます。原点の電荷が受ける合力はどれですか。

__RESULT__

左の電荷とは反発なので右向きに 、右の電荷とは引力なのでこちらも右向きに です。向きがそろうので足して になります。 は両端が同符号のときの答えです。

大きさは絶対値で、向きは配置で。この 2 段に分けておけば、電荷が何個並んでも同じ手順で答えが出ます。

参考

Coulomb's Law. University Physics Volume 2, OpenStax.
Calculating Electric Fields of Charge Distributions/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/05%3A_Electric_Charges_and_Fields/5.06%3A_Calculating_Electric_Fields_of_Charge_Distributions). Physics LibreTexts.
Andreas Wipf. *Elektrodynamik*, Kapitel 2: Einführung in die Elektrostatik. Theoretisch-Physikalisches Institut, Universität Jena.
$+2.0\ \mu\mathrm{C}$ を左右に置き、まん中に $+3.0\ \mu\mathrm{C}$ を置くと合力は $0$。右側の符号だけを変えると $10.8\ \mathrm{N}$ に跳ね上がります。大きさは絶対値で出し、向きは相手の位置と符号の組で決める。この 2 段に分けておけば、電荷が何個並んでも手順は変わりません。電荷が 4 倍でも距離が 2 倍なら力はそろうこと、まん中の電荷の大きさは釣り合いに効かないこと、端の電荷が外向きに押されること。3 つの合力を全部足すと $0$ に戻る検算まで。