中学生の理科（力の釣り合いと磁石）

質問

中学生の息子から期末以下の問題について質問され、解答の解説が理解できなくて困っています。

問題文は以下の通りです。
同じ大きさのサイズのドーナツ型磁石Ａ、Ｂ、Ｃを使って次の実験をしたときに、下記質問について答えなさい。
（実験１）平らな板に心棒をつけた台に、磁石Ａ，Ｂをこの順で通したところ、Ａの上面とＢの下面の間隔がＸになった。
（実験2）さらに、磁石Ｂの上に磁石Ｃを通したところ、Ａの上面とＢの下面の間隔がＹ、Ｂの上面とＣ下面の間隔がＺになった。
このとき、Ｘと、Ｙと、Ｚの大小関係はどうなりますか。

解説では、Ａの上面とＣの下面は引き合っているので、Ｂは下方向へ押されている。このため、ＹはＺよりも小さくなる。また、Ａの上面とＣの下面が引き合っている分だけＺがＸよりも小さくなる。
したがって、　Ｘ　>　Ｚ　>　Ｙ　になる。

同じ大きさの磁石ＡとＣの間には、磁石Ｂがあるので、Ａから出た磁力線はＢに入り、Ｃに入ることはないと思います。このため、ＡとＣが引き合うことはないと考えました。

そこで、私は以下のように考えました。磁石Ｃを通すことによって、磁石Ｂに働く力は、重力と、磁石Ａからの斥力（上向き）に加えて、磁石Ｃからの斥力（下向き）が働きます。したがって、磁石Ｂは、磁石Ｃを通す前に比べて、磁石Ａ側に押されると考えました。その結果、　Ｚ　>　Ｘ　>　Ｙ　になると考えました。

私の考えはどこが間違っているのでしょうか。よろしくお願いいたします。

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回答No.4

ORUKA1951

No.1です。
　では、次のように考えて見ましょう。
【図上段参照】
発想を変えて、Bの位置を基準(y座標0)に下に磁石を近づけると考えて見ましょう。
※が、どちらに動こうとあくまでBを基準にすることで、考えやすくなります。

左の状態の磁石の下に磁石を近づけたものが中央列(縦)です。
　上の段が下の磁石と逆向き、下の段が同じ向きの磁石を近づけた状態です。

下の段について、先に考えて見ましょう。
　同じ向きの磁石が加わるため、中心の磁石はより強い磁石になり、上の磁石を押しのけます。・・・・これは理解できると思います。

上の段について考えると逆向きの磁石が追加されたわけですから、磁力は弱まるため反発力も低下します。

　No.1では省きましたが、最下段の隙間については、中央の磁石の重さが重たくなったと同じですから狭くなります。

回答No.3

shintaro-2

>同じ大きさの磁石ＡとＣの間には、磁石Ｂがあるので、Ａから出た磁力線はＢに入り、Ｃに入ることはないと思います。このため、ＡとＣが引き合うことはないと考えました。

磁力線は消えてなくなりません。
描くときは、一つの磁石から5本出たら、必ず同じ磁石に5本帰ります。

そして、N極からS極に帰ります。

つまり、Aから出た磁力線がBの同じ極には入れません。
Aの磁石とBの磁石との間で、たとえばN極同士が向かい合っていたら、双方の磁石から出た磁力線が互いに平行に外側に向かっていくから、反発の力が生まれます。

Bの磁石がCの磁石を支えているというか、Cの重さがかかっているのは間違いありませんから、
X>YはOKです。

XとZとの関係は実験するのが一番

お礼

ご回答ありがとうございました。
ＸとＺの関係は実験しないとわからないのでしょうか。

回答No.2

foomufoomu

解説のような考え方もあるでしょうが、別の考え方として
磁力線が、中間の磁石Bでさえぎられるとか曲がるとかでなく、磁力が変わると考えたることもできます。

（磁石でない）鉄に磁石を近づけると、鉄も磁力を帯びるようになります。
これと同じように磁石も近くの磁石の影響を受けて磁力が強くなったり弱くなったりします。
この様子は、電池の直列接続と似ていて、｜ＳＮ｜ＳＮ｜の順に近づけると磁力が強くなり、問題のように｜ＳＮ｜ＮＳ｜の順では磁力が弱くなります。

なので、おなじような条件でも、2番目の実験では磁石の間隔が狭くなります。

お礼

ご回答ありがとうございました。

回答No.1

ORUKA1951

最初の磁石Aと磁石Bの関係と、二番目の磁石Bと磁石Cの関係は極性こそ逆ですが、まったく同じ関係にあることはわかりますよね。極性を変えて磁石Bの位置を合わせた図を示しておきます。
　さて、磁石Cにかかる力は、最初と比較して磁石Aの存在が異なるわけですから、磁石Cに対して引力として働けば磁石Cは引き寄せられ、逆だと引き寄せられるはずです。逆だと引き寄せられるのは、添付図の右下ですが、これは容易に想像できると思います。だって下の磁石が強くなったのですからね。右下で高くなるなら、当然右上は近くなるはず。

　あなたが間違えた要因は、
「磁石Ｃからの斥力（下向き）が働きます。」
です。この大きさは最初の実験も二番目の実験も同じです。

補足

早速ご回答いただき、ありがとうございました。何度も読み返すのですが、よく理解できませんでした。

例えば、「最初の磁石Aと磁石Bの関係と、二番目の磁石Bと磁石Cの関係は極性こそ逆ですが、まったく同じ関係にあることはわかりますよね。」とのことですが、台の上に置かれた磁石Ｂと、空中に浮いている磁石Ｂは同じでしょうか。この場合、磁石Ｂは磁石ＡとＣからクーロン斥力を受け、さらに重力も受けています。

「磁石Cに対して引力として働けば磁石Cは引き寄せられ、逆だと引き寄せられるはずです。」とはどういうことでしょうか。

「逆だと引き寄せられるのは、添付図の右下ですが、」右側と中央には、上下に２つの図が描かれていますが、それぞれ何を表しているのでしょうか（黄色い四角形は何を表しているのでしょうか）。

「だって下の磁石が強くなったのですからね。右下で高くなるなら、当然右上は近くなるはず。」の右下と右上とは右端の上の図と下の図のことでしょうか。これらは何を表している図でしょうか。また、図からどのようなことがわかるのでしょうか。