電流と電圧の問題

U 字形磁石の N 極と S 極の間に、導線を数回巻いたコイルの一部が入るようにコイルをつり下げた。コイル、電熱線、電源装置、スイッチを直列につなぎ、電流を流すと、コイルは磁界から力を受けて動く。

【実験 1】電源装置の電圧を $6.0\text{V}$、電熱線の抵抗の大きさを $12\Omega$ にしてスイッチを入れると、コイルは磁石の外側に向かって $1.0\text{cm}$ 動いて止まった。

【実験 2】電源装置の電圧は $6.0\text{V}$ のまま、電熱線を抵抗の大きさが $4.0\Omega$ のものにとりかえ、さらに電源装置の $+$ 極と $-$ 極につなぐ導線を入れかえてスイッチを入れた。

コイルが磁石の外側に向かって動いた距離を正の数、内側に向かって動いた距離を負の数で表すとき、実験 2 でコイルが動いた距離は何 cm ですか。ただし、コイルの動いた距離は、コイルに流れる電流の大きさに比例するものとし、コイルや導線の抵抗は考えないものとする。

巻き数 100 回のコイルを検流計につなぎ、棒磁石の N 極をコイルに一定の速さで近づけたところ、検流計の針は右に 3 目盛り振れました。

次に、コイルを巻き数 200 回のコイルにとりかえ、棒磁石の S 極を、1 回目と同じ速さで、1 回目と同じ側からコイルに近づけました。このとき、検流計の針の振れは何目盛りですか。右に振れる向きを正、左に振れる向きを負として、符号をつけて答えなさい。

ただし、とりかえたコイルの巻き方の向きと、コイルの検流計へのつなぎ方は 1 回目と同じとします。また、コイルに生じる電圧はコイルの巻き数と磁石を動かす速さのそれぞれに比例し、コイルをとりかえても回路全体の抵抗は変わらないものとします。検流計の針の振れの大きさは流れる電流の大きさに比例するものとします。

抵抗が $15\Omega$ の電熱線を電源装置と電流計につなぎ、電熱線の両端に $6.0\mathrm{V}$ の電圧を加えました。電源装置・電流計・電熱線は 1 本の導線の輪になるように直列につながっています。このとき、電熱線に流れる電流は何 A ですか。ただし、導線と電流計の抵抗は考えないものとします。

抵抗が $4\Omega$ の電熱線 A と、抵抗が $8\Omega$ の電熱線 B を直列につなぎ、電圧が $6\mathrm{V}$ の電源につないだ。導線や電源の抵抗は考えないものとする。このとき、電熱線 A に流れる電流は何 A ですか。

U字形磁石の N 極と S 極のあいだにコイルの下側の部分が入るように、コイルを糸でつるした。コイルの真下には、コイルが動く向きにそって物差しを水平に置いた。電流が流れていないとき、コイルの下端は物差しの $10.0\text{cm}$ の目盛りの真上にあった。

実験 1：電圧 $6.0\text{V}$ の電源、抵抗の大きさが $20\Omega$ の抵抗器、電流計、コイルを直列につないで電流を流した。すると、コイルは物差しの目盛りが大きくなる向きに動き、コイルの下端は $11.5\text{cm}$ の目盛りの真上で静止した。

実験 2：実験 1 の $20\Omega$ の抵抗器のかわりに、$20\Omega$ の抵抗器と $30\Omega$ の抵抗器を並列につないだものを入れた。さらに、電源の $+$ 極と $-$ 極につなぐ導線を入れかえて、コイルに流れる電流の向きを実験 1 と逆にした。U字形磁石の向きと位置は実験 1 と同じにした。

コイルが動いた距離はコイルに流れる電流の大きさに比例するものとし、コイル・導線・電流計の抵抗は無視できるものとする。実験 2 で、コイルの下端は物差しの何 cm の目盛りの真上で静止しますか。