クーロンの法則：点電荷の周囲の電場
1 · 予測
空間に単一の点電荷があります。試験点を2倍遠くへ移すと、電場強度はどれだけ低下しますか？
- 電場は1/4になります。距離の二乗に反比例します。
- 電場は1/2になります。距離に比例して低下します。
- 電場は距離によらず同じです。
2 · 準備
- single-charge プリセットを開いて Reset を押します。源電荷は q = 5 nC に固定されています。
- 試験点の電場強度読み出しを有効にします。
- 各試行で電荷から試験点までの距離を設定し、電場強度を記録します。
3 · データ収集
| 距離 r (m) | 電位 V (V) | 電場強度 E (N/C) |
|---|---|---|
| 1.00 | ||
| 2.00 | ||
| 3.00 |
3回の試行について電場強度 E（縦軸）を 1/r²（横軸）に対してプロットします。原点を通る直線ですか？
4 · 分析
- k = 8.99×10⁹ N·m²/C²、q = 5 nC を用いて E = kq/r² を計算し、表と比較します。
- 逆二乗則を用い、距離を2倍にすると電場が半分でなく1/4になる理由を説明します。
5 · 発展
- 電位列（V = kq/r）は電場（1/r²）より緩やかに低下します。同じ源電荷から生じるのに電位と電場の距離依存が異なる理由を説明します。
- クーロンの法則 E = kq/r² はニュートンの重力場 g = GM/r² と同じ数学形です。全く異なる2つの力が逆二乗構造を共有する理由を説明します。
この実験の物理
クーロンの法則
点電荷は距離の二乗で低下する放射状電場 E = kq/r² を作ります。k = 1/(4πε₀) ≈ 8.99×10⁹ N·m²/C² で、試験電荷に働く力は F = qE です。