일반물리학 문제풀이 (전기력과 전기장)

문제

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이 문제의 상황을
그림으로 표현해 보았다.
 

 

왼쪽의 용수철은 q₂전하가
q1전하 밑에 위치하기 전의 모습이고
오른쪽의 용수철은 q₂전하가
q1전하 밑에 위치하여
전기력이 작용해 용수철이 늘어난 모습이다.
 
아래 영상을 통해 문제 상황을
보다 더 직관적으로 이해할 수 있을 것이다.

문제의 상황을 표현한 애니메이션

 
0.800μC의 양전하로 대전된 구가
용수철에 매달려 있다. 이 때 용수철은
평형 위치에 있는 것으로 가정했다.
 
이런 상황에서
-0.600 μC의 음전하로 대전된 구를
용수철에 매달린 구를 밑에 놓게 되면
 
쿨롱의 법칙에 의해
두 전하 사이에 인력이 작용하게 되고
그에 따라
 
용수철이 3.5cm 더 늘어나고,
두 구 사이의 거리가 5.00cm가
되었을 때 두 구가 평형 상태에 도달하였다.
 
이는 용수철에 의한 탄성력과
전하에 의한 전기력이 같은 크기에
정반대방향으로 작용하고 있음을 의미한다.
 
따라서 아래와 같은 식을 세울 수 있다.
 

 
x = d = 3.5cm, 쿨롱상수 ke = 8.975 × (10³)³ ,
q₁ = 0.800μC, q₂ = -0.600 μC, r = 5.00cm를
위 식에 대입해주면 용수철의 힘상수
k를 구할 수 있게 된다.
 
따라서 정답은 아래 이미지와 같다.

 
 

결론

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 문제에 제시된 물리적 상황을 이해하는 것이 중요한 문제였다. 여기서 물리적 상황을 이해한다는 것은 물체에 작용하는 힘들의 크기와 방향 그리고 그 힘들에 의해 물체가 어떻게 움직일 것인가를 파악하는 것이다. 이번 문제 풀이의 목적은 쿨롱의 법칙을 이해하기 위함뿐만 아니라 물리적 사고를 훈련하는 것 또한 겸한다고 생각한다.