電磁気学
線電荷電場
線電荷は円筒対称の電場を作ります。線の上下の E 矢印を確かめてください。
線電荷電場 — インタラクティブな電磁気学シミュレーション。線電荷は円筒対称の電場を作ります。線の上下の E 矢印を確かめてください。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
線電荷の電場
線電荷は円筒対称の電場を作ります。線の上下の E 矢印を確かめてください。
一様な線電荷 λ は、線に対して垂直な円筒対称の電場 E ∝ λ/r を作ります。静的な線電荷には電流がないため B = 0 となり、試験電荷に働くのは電気力 F_E = qE だけです（黄色い F_E 矢印で示されます）。プロパティパネルで線の上下の |E| を比較してください — 距離を半分にすると電場は2倍になります。
- E ∝ λ/r（円筒対称）
- F = qE
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
有限長の直線棒に電荷が一様に分布しています。垂直二等分線上の電場は点電荷と同じ 1/r² 則に従うでしょうか？
検討する予測
- はい — 十分遠くから見れば点電荷のように見えます。
- 拡がった電荷分布の電場は距離に依存しません。
- いいえ — 有限線電荷には単純な 1/r² ではない、より複雑な距離依存性があります。
可変的な役割
設定するもの：
- 垂直距離 d (m)
測定するもの：
- 電場強度 E_y (N/C)
実験の進め方
- line-charge プリセットを開いて Reset を押します。棒は長さ 4.8 m にわたり線密度 2 nC/m の電荷を持ちます。
- 垂直二等分線上の電場強度の読み出しを有効にします。
- 各試行で棒の中心からの垂直距離を設定し、電場強度を記録します。
支配方程式
有限帯電線の電場（垂直二等分線上） — E = k·q/r²
一様に帯電した棒にクーロンの法則を積分すると、垂直二等分線上の電場は近距離の無限線の 1/d 減衰と遠距離の点電荷の 1/d² 減衰の間を補間します。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について k = 8.99×10⁹ N·m²/C²、λ = 2 nC/m、L_half = 2.4 m を用い、E_y = −2kλL_half/(d·√(L_half² + d²)) を計算します。表と比較します。
- 有限線電荷の電場が 1/r² のような単純なべき則にならず、√(L_half² + d²) を通じて距離 d と棒の半長の両方に依存する理由を説明します。
実験以外での活用
- 距離 d が棒の長さに比べて非常に小さいと、式は E ≈ −2kλ/d（無限線電荷の結果で、1/d で減衰）に近づきます。近距離で有限棒が無限線のように振る舞う理由を説明します。
- 距離 d が棒の長さに比べて非常に大きいと、式は点電荷の結果 E ≈ kQ_total/d²（Q_total = λ·2L_half）に近づきます。遠くから拡がった電荷分布が点電荷に見える理由を説明します。
- AP Physics 2 — Unit 10: Electric Force, Field, and Potential
- AP Physics C: Electricity and Magnetism — Unit 8: Electric Charges, Fields, and Gauss's Law
- IB Physics — D.2 Electric and magnetic fields
- General High School Physics — Magnetism & electromagnetism
- NGSS High School Physics — Gravitational and electrostatic forces
- 線電荷へようこそ
- 試験電荷を選択
- 再生
- 線電荷の電場
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。