問5 モーターによる仕事について調べるために、次のような実験を行った。これらの実験とそ の結果について,あとの各問いに答えなさい。 ただし, 滑車と糸との間の摩擦, 滑車と糸の 質量およびおもりの大きさは考えないものとする。 また,糸は伸び縮みしないものとする。 〔実験 1] 図1のように,おもりにつけた糸を滑車を通して モーターにつなぎ, 真上に3.0m持ち上げる時間を 測定した。 表は, おもりの重さと持ち上げるのにか かった時間をまとめたものである。 表 1. おもりの重さ 〔N〕 持ち上げるのにかかった時間 〔秒〕 (イ) 図3のように, 水平な床に固定した斜面を使って, 0.9 N のおもりを〔実験1] で用いたモーターで, 床から3.0m の高さまで持ち上げたとき, 次の(i), (ii)は 〔実験1] で 0.9N のおもりを用いたときの結果と比べてそれぞれどのように なると考えられるか。 最も適するものをあとの1~5の中 からそれぞれ一つずつ選び, その番号を答えなさい。 ただ し,おもりと斜面との間の摩擦は考えないものとする。 (i) おもりを持ち上げるのにかかる時間 (Ⅱ) おもりが動く速さ 3/5 倍 0.5 3.0 〔実験2] 図2のように, モーターの原理を理解するため に, 木板の上にN極を上にした磁石を置き, 立て たクリップ P, Qの柱にエナメル線で作ったコイ マイナス ルをのせた。 クリップPを電池の極に, クリッ ブラス プQを+極につなぎ, クリップと接する部分のエ ナメル線の被膜のはがし方を変えてコイルの動き を観察した。 なお, コイルを流れる電流の向きは a→b c d である。 (ア)〔実験1]より,このモーターの仕事率は何Wか。 その値を書きなさい。 2. 倍 3. 0.7 4.2 倍 滑車 糸 おもり クリップ P 磁石 N極 S極 木板 床 4. 図1 0.9 5.4 一極 おもり 倍 4.0 m ⑩モーター 3.0m 図2 糸 a d 図3 1.1 滑車 6.6 クリップ Q + 極 電池 切 3.0 m コイル C 手前から 次の はがしだとき モーター に最も適する 5. 変わらない クリップ] コイ の向き れぞれ 流が る。 電流 Xの Yの

(エ) 次の は,〔実験2] において, クリップP, Qと接する部分のエナメル線の被膜をすべて はがしたときのコイルが受ける力とコイルの回転についての考察である。 文中の ( X ), ( Y ) に最も適するものをそれぞれの選択肢の中から一つずつ選び, その番号を答えなさい。 クリップ Q d クリップ P C 図 4-1 Y の選択肢 クリップ Q a d Cond クリップ P 下から上 図 4-2 a 0° ≤x≤ 180° 180°x360° b 上から下 x 2. a b, ウ 3.b→a, イ 0-------- ----------- dac 図5 コイルの a から bの部分において, 図4-1では, 流れる電流の向きはa→b,磁界から受ける力 の向きはアであるとすると, 図4-2の状態では, 流れる電流の向きと磁界から受ける力の向きはそ れぞれ ( X ) となる。 このことから,〔実験2〕でコイルが回転し続けるための工夫として、回転の途中でコイルに電 流が流れないようにすることを考える。図5は、図2のコイルをクリップP側から見たものであ る。図5のように、コイルが回転によって動く角度をxとし,xの値の範囲が( Y )のときに 電流が流れないようにすると、連続して回転させることができると考えられる。当 Xの選択肢La→b, イ コイル C 90°≦x≦270° 0°≦x≦90°,270° 360° 3. b-a, 104. b-a, 0100 ≤x≤ X

(イ)(i) 三平方の定理より、斜面の長さは 3.02 (m) +4.02 (m)=5.0(m)なので,おもりを斜面を使って引 5.0 (m) 5 3.0(m) 3 くときの力の大きさは, 3.0 (m) 3 5.0 (m) 5 = (倍), おもりを持ち上げる距離は, て, おもりを持ち上げるのにかかる時間は, X 1 (倍)となり,変わらない。 (ii)(i)より, おもりを持 3 5 5 3 ち上げるのにかかる時間は変わらず, おもりを動かす距離が, 5.0 (m) 5 3.0(m) 3 = 5 く速さも 倍になる。 3 (ウ) 右手の親指以外の4本の指先をコイルに流れる電流の向きに合わせたとき, 立てた親指の向きがコイルの中央部の磁界の向きと一致する。 コイルを流れ る電流の向きはa→b→c →dなので、右図アのように, コイルの中央部の 「大阪 磁界の向きは奥から手前の向きになる。 (エ) X. 図 4-2の状態では、電流の向きは変わらないので、 磁界から受ける力 の向きも変わらない。 Y. 右図イのように、半回転ごとに電流が流れないよ うにすると,コイルを連続して回転させることができるので,0°≦x≦90°, 270°≦x≦360°のときに電流を流し, 90° ≦x≦270°のときに電流が流れ ないようにすればよい。 (倍)になるので,おもりが動 図ア b (倍)になる。 よっ 図イ 電流を流す 90° b 0°: 360° 180° U 270° 電流を流さない