일반물리학 문제풀이(종합문제)

문제

---

 
 

풀이

---

힘의 평형상태가 되려면 구에 작용하는 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 작용하면 된다. 그렇다면, 먼저 구에 작용하는 힘을 계산해서 그 크기와 방향을 구하고, 그다음 그 힘을 전하량으로 나누어주면 외부에서 걸어준 전기장을 구할 수 있다. 먼저 +전하를 가지고 있는 구에 작용하는 힘은 중력과 장력의 합력 그리고 전기력 두 가지다. 이를 아래 그림으로 표현해 보았다.

전기력과 중력과 장력의 합력이 같은 방향으로 작용한다고 볼 때 두 힘의 합력은 y성분이 0이 되기 때문에 x성분만 고려해 주면 된다. 이때 평형상태를 만들기 위한 전기력 F(외부 전기장에 의해서 전하가 받는 전기력) = Eq = -F(구에 작용하는 힘)이 되므로 아래와 같이 계산해 주면 된다. 계산은 아래 그림을 참고한다.

 

θ = 10º일 때 구가 평형상태가 되기 위한 힘의 크기를 구했다. 그렇다면 이때 외부 전기장을 구할 수 있게 되었다. 따라서 정답은 아래와 같다.

 

결론

---

진자 운동과 전기력의 개념을 모두 활용해서 푸는 종합문제다.