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.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。