中学生理科（高校入手問題）を教えてください

中学生理科（高校入手問題）を教えてください
添付画像の問題です。（下に答えも貼り付けました）

最初にエナメル線でコイルを作るとありますが、これは絶縁されコイルの機能が全く果たさないということでしょうか？

次に、このエナメル線を全部はがすもしくは半分はがすとありますが、これは、コイルの機能となり
モーターが連続で回転するということでしょうか？


私はここにあるコイルというのは通常絶縁された線を巻いてコイルにするもの
つまり、前者の最初にエナメル線でコイルを作るものがコイルであり
連続で回転すると考えておりました。

考え方などご指摘、ご回答お願いいたします。

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2020/01/27 13:21

これは動くことを前提に削り方を決め、動く仕組みを考える問題です。

解釈するのではなく、どうしたら動くようになるのかを考えないといけない。

No.4 回答者： むらさめ 回答日時： 2020/01/23 20:34

>私の考えかたはが間違ってればご指摘お願いします。

考え方は特に間違っていないのですが、変に難しく考えすぎているように感じます。

私が　”ペーパー試験用のモーター”　と書いたのは、この問い用のモーターということです。

>半回転後電流が止まり（これがエナメルの残っているところ？）惰性で一方向に回る
本当なら、軸受の形状　や　コイルの輪に対する軸受部のエナメルを剥がす角度、軸受とコイルの接触の関係などもっと多くの実験条件を、厳密に議論して問題文に提示しないといけないです。
ですがこの問題は、そのモーターとして本当にどう動くかではなく、フレミングの左手の法則を理解しているのかどうかと、モーターが回転する基本原理を問うています。


絵から察するに、エナメルを片側だけ半分剥がしたコイル(もう片方はコイルの銅線が全部露出)は、最初はフレミングの左手の法則により動き出し、
軸受にたいしてコイルが約1/4と少し回転したところで、電流が流れなくなりコイルは惰性で上に登り、上の点を惰性で超えたらそのまま一回転する。
下に回転していったところで、おそらく3/4回転したくらいでコイルに電流が再び流れて、前と同じ方向に電磁気力を受けて回転します。


エナメルを両方とも全部露出した方は、最初はフレミングの左手の法則で、特にコイルの下側が法則の作用を受けて動き出します。
下側の方が磁石に近くフレミングの左手の法則の効果をより大きく受けるからです。
約1/4回転したあたりで、フレミングの左手の法則の効果を失い、コイルを回転させる電磁力もなくし、惰性で一度は半回転くらいはします。
この時、コイルの下になっている側の方がフレミングの左手の法則の効果を強く受けて、今度は、コイルの構造上、逆向きの電流が流れるので逆側にコイルが回ろうとします。
この辺は、問題文では、”コイルは動いたが1回転しなかった”　と片付けています。

コイルは最終的に水平の状態で均衡を保つことになります。


>この質問からなぜ、半回転後電流が止まり（これがエナメルの残っているところ？）惰性で一方向に回る。と解釈できるのでしょうか？
誤解を含む回答だったかもしれないですね、上述したように、絵の様子からコイルが約1/4回転した辺りで、コイルに電流が流れなくなり、フレミングの左手の法則の効果を失います。

>最初の一方向でエナメルは半分露出、半回転でもエナメルは半分露出
図の絵から、そういう判断にはならないです、”コイル直立”　で　”下半分の銅線露出”　が描かれているからです。
問いに示された絵はそういうところも慎重に観て理解しないといけないです。

>最初の一方向でエナメルは全部露出、半回転でもエナメルは全部露出　
エナメルの剥がし方が悪ければそのようなことが起こり得るかも知れないですが、やはり問題の図を尊重して解釈しないといけないです。

ここら辺りに疑問を持つのは面白いと思いますね、単純なコイルのモーターでも、軸受とコイルのエナメル銅線の剥がし方の違いで、コイルの回転の具合が変化すると思いますから。


実際のモーターは、コイルに流れる電流の向きを途中で変える構造(180°で電流の流れる向きが変わる)になっていたり、回転時に回転のためのコイルに生じる電磁力が失われないように工夫しています。
そのために、もっと複雑な構造になっているのです。
でも、モーターの原理やフレミングの左手の法則の理解の問いですから、単純化した設問になるのも仕方がないです。

私は、結構、面白いところに疑問を抱いたなと感じています。

No.3 回答者： むらさめ 回答日時： 2020/01/21 00:03

軸受部のエナメルを、両方とも全部剥がしたコイルの場合、磁力の向きとコイルに流れる電流の向きで、少し回転しかかります。

コイルが水平になった時に、絵のコイルなら前と後ろでフレミングの左手の法則で、コイルが動こうとする向きは、前後方向になりここでコイルは回転しなくなります。
実際は勢いがついて少し上まで回転して、水平状態で安定するはずです。
コイルの軸受け部分の片方のエナメルを半分だけ剥がし、片方は全部剥がした場合、
最初は、軸受けとエナメルを半分剥がした側とエナメル線が接していて、コイルに電流が流れコイルが上に回転し上がりかけます。

その上がりかけた途中で、軸受上でエナメルを半分剥がしていない方と軸受が接して、コイルに電流が流れなくなり、コイルはその勢いのまま(慣性で)1回転します。
このモーターは、半分はフレミングの左手に従った電磁力で動いて、もう半分は慣性の勢いだけで動いているモーターですね。
そのことが赤字の答えの部分になります。

本当のモーターは、初期のものは半分登りかけた時点で電流が流れる向きが逆転するようになっていて、常に回転する為の電磁力が作用するようになっています。
現実には中身のコイルをもっと工夫したりして、用途に応じた効率が良いモーターが作られています。
この問いに出てくるモーターは、磁石の向きもコイルの巻き方の向きも示されておらず、あくまでペーパー試験用のモーターのように感じます。

中高の理科は現象面だけを教えて、本当の理論は教えないので、こんなものかと覚えておくのが良いと思います。
本当の理論は、大学辺りに進学しないと教えないです。

この回答へのお礼

再度、ご回答頂き本当にありがとうございます。
丁寧にご回答いただいているはずですが、
どうしても理解できません。　再度、教えてください。

知りたいことは、答以前の質問についてです。

軸受部（写真では下から上に縦に伸びている棒）
　　エナメル：全部はがす
コイル両端（写真ではコイル（輪）から左右水平にでている棒）
　　エナメル：全部はがす
この結果は、コイルは動いたが1回転しなかった。
（答えから補足：半回転毎で回転を妨げる力が働く）


軸受部（写真では下から上に縦に伸びている棒）
　　エナメル：全部はがす　か　半分はがす
コイル両端（写真ではコイル（輪）から左右水平にでている棒）
　　エナメル：半分はがす　か　全部はがす
この結果は、コイルは連続して回転するようになった。
（答えから補足：半回転毎で回転を妨げる力が働かない）


あためてまとめると
　コイルは写真からみて時計回り（もしくは反時計回り）で
電流を流す場合、磁石付近は「フレミングの左手の法則」より、
１方向のちからがかかり、半回転後（電流逆なので）逆方向の
ちからがかかる。　・・・　
　ここまでは理解します。

聞きたいのは、この質問からなぜ、半回転後電流が止まり
（これがエナメルの残っているところ？）惰性で一方向に回る。
と解釈できるのでしょうか？

極端に言うと
　　最初の一方向でエナメルは半分露出、半回転でもエナメルは半分露出
　　最初の一方向でエナメルは全部露出、半回転でもエナメルは全部露出
というパターンもあり得ると考えます。

あまりにも問題がおかしく、モーターの原理や「フレミングの左手の法則」など
知る、知らない以前に思えます。

私の考えかたはが間違ってればご指摘お願いします。

お礼日時：2020/01/23 19:12

No.2 回答者： konjii 回答日時： 2020/01/20 17:21

フレミングの左手の法則です。

片方のエナメルを半分はがすと、磁石に垂直なコイルに電流が流れて図の手前にコイルは回転します。
真横になると、コイルの電流が切れて、慣性モーメントでさらに１８０度回転して、１８０度を過ぎるとまたコイルに
電流が流れて、コイルの下部に手前の力が働いて回転し続けます。
両方のエナメルを全部剥がした場合は、コイルが水平になった姿勢で、コイルの下部と上部は両方、図の手前に等しい力が働き回転力にならない。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

ご回答内容みていると、私の問題に対する理解ができていないことがわかりました。
ただし、まだ、問題の理解ができきれず、ご回答の理解もできません。

フレミングの左手の法則は十分理解しているつもりです。

すみませんが、この問題について教えください。

　①エナメル線で作ったコイル
　②軸受け
　③接続する回転軸のエナメル

と3箇所の説明があり

　エナメルを全部はがす
　エナメルを一方は全部
　エナメルをもう一方は半分はがす

と3種の処理がありそれぞれどういった対応（組み合わせ）を
質問されているのか理解できません。
ご教授お願いいたします。

お礼日時：2020/01/20 23:08

No.1 回答者： むらさめ 回答日時： 2020/01/19 18:40

エナメルは塗料のことで、エナメル塗料という物があります、エナメル線はその塗料を塗った銅線のことですね。

中高辺りでは唐突にエナメル線を用いて、何かの実験するのですが、エナメル線の意味を教えないことが多いですね。

最初は軸受の部分のエナメルを全て剥がす　→　コイルが動くが1回転しない
　→　コイルは、上近くまでまで動くのですが、コイルの上に登った部分と上から下がったもう半分の部分で、コイルに作用する電磁力が釣り合い(反発しあい)コイルが動かなくなる
　→　コイルの機能が無くなったのではない　→　モーターとして不十分な構造だっただけです
フレミングの左手の法則で、コイルに流れる電流の向きが　コイルの輪が上に到達した時に電流の向きが入れ替わり、コイルを動かす向きが逆になるからです

次の実験で片側の軸受け部分のエナメルを半分剥がし、もう片方は全部剥がす
　→　コイルが上まで登ったら、その時にコイルに流れる電流が止まり(エナメルの剥がしていない部分になる＝コイルに電流が流れない)その勢いのまま下まで回転する
　→　下に降りたらコイルに電流が流れる(エナメルを剥がしている部分になる)ので、電磁力がまた起きる。

コイルの軸受の部分　と　コイルの回転する位置　の関係や、エナメルを半分剥がす位置の関係　でコイルの効率や回転数が変わってくると思うのですが、この問題はそこまで問うていないです。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

ご回答内容みていると、私の問題に対する理解ができていないことがわかりました。
ただし、まだ、問題の理解ができきれず、ご回答の理解もできません。

フレミングの左手の法則は十分理解しているつもりです。

すみませんが、この問題について教えください。

　①エナメル線で作ったコイル
　②軸受け
　③接続する回転軸のエナメル

と3箇所の説明があり

　エナメルを全部はがす
　エナメルを一方は全部
　エナメルをもう一方は半分はがす

と3種の処理がありそれぞれどういった対応（組み合わせ）を
質問されているのか理解できません。
ご教授お願いいたします。

お礼日時：2020/01/20 23:08