中学受験理科の方位磁針と電流—導線の上下と電流の向きを図にそろえて考える｜武蔵野個別指導塾

南から北へ流す導線の上下で、磁針のN極がどちらへふれるかを表と図でたどり、向きを読み解く鍵は方位磁針と電流です。

よくあるのは、導線の上と下に方位磁針を置いた図を見て、どちらも針を同じ向きに描いてしまう小6の場面です。上から見た図では導線と針が重なり、上下の位置が見えにくいためです。まず横から見た図で位置を確かめ、次に上から見た図で北と電流の向きをそろえます。

答えを決める手がかりは、電流の向きと、導線に対して方位磁針が上か下かの2つです。一方だけを逆にすると、N極がふれる側も逆になります。両方を逆にしたときは、向きが2回反対になるので、もとの側と同じになります。

問題には、条件からN極のふれる側を選ぶ型、観察したふれ方から電流の向きや磁針の位置を逆に探す型、上から見た図と横から見た図を対応させる型があります。どの型でも、条件を一度に頭の中で動かさず、位置と向きを別々に記録すると考えやすくなります。

北と上下を別々に読む

方位磁針（ほういじしん）は小さな磁石（じしゃく）の針です。電流を流す前、近くに別の磁石などがないとき、針のN極はおよそ北を指します。導線（どうせん）に電流を流すと、導線のまわりに磁石に力がはたらく場所ができ、針がふれます。ここでは針のN極が、もとの北から東側か西側か、どちらへふれるかを考えます。

図1のように、導線は南北に水平にのびています。横から見た図は、針と導線の上下の位置を示しています。上から見た図では紙の上を北、右を東、左を西とします。横から見たときの紙の上は高さの上であり、上から見たときの紙の上は北です。同じ「上」という言葉でも意味が違います。

図1の方位磁針は導線の下にあります。「導線が方位磁針の上」と言っても同じ位置関係です。反対に「導線の下に方位磁針」と書いたとき、下にあるのは針です。上から見た絵で重なっていても、高さまで同じだとは決められません。横から見た絵や文章に示された位置を先に読みます。

電流の矢印は、導線に沿った電流の向きです。針の矢印は、N極がふれる側を示します。この2種類の矢印を同じものとして扱うと、電流の向きから針の向きをそのまま写してしまいます。方位を記した後、それぞれの矢印の意味を声に出して区別しましょう。

この先の問題では、電流を流す前にN極がおよそ北を指し、導線によるふれが読み取れるものとします。電流を流した後の針が真東や真西を正確に指すと決めるのではなく、北から見て東側か西側かを答えます。ふれる角度や電流の大きさは問題に与えられていないので求めません。

観察結果から4つの条件を作る

次の観察結果を使います。南北に張った直線の導線に、南から北へ電流を流すと、導線の下にある方位磁針のN極は西側にふれました。この結果を出発点として、電流の向きか針の位置を変えた場合を考えます。

問題: 同じ導線で、方位磁針を導線の上に置き、電流を南から北へ流します。N極は北から東側と西側のどちらへふれますか。方角で答えてください。

図2のように、まず観察結果と問題の条件を表に並べます。位置は方位磁針を主語にしてそろえています。図2では上下の位置がわかる横からの見方と、方角がわかる上からの見方を分けました。

手順を1行ずつたどります。

1. 電流はどちらも南から北で、変わっていません。
2. 方位磁針の位置は導線の下から上に変わっています。
3. 導線の上と下では、電流がつくる磁石にはたらく向きが反対です。
4. もとの西側の反対をとり、答えは東側です。

この答えは、針を導線の上へ移したことによる変化です。電流を逆にしたわけではありません。上から見た図だけを見て東西を決める前に、横からの図で針の置き場所を確定するのが順序です。

同じ観察結果から、ほかの条件も整理できます。下の表は、電流を逆にするとふれる側が逆になることと、針の上下を逆にするとふれる側が逆になることを使って作ります。表は向きを探すための整理であり、針が東西へぴったり向くという意味ではありません。

上から3行目では、最初の行から針の位置を保ち、電流だけを逆にしています。4行目では、最初の行から電流も位置も逆にしています。ふれる側は2回反対になるため西側に戻ります。表を丸暗記する場合も、出発点と変えた条件を指でたどれば、1行ずつ意味を確かめられます。

2つの条件が変わるとき

問題: 先ほどの観察結果をもとに、方位磁針を導線の上に置き、電流を北から南へ流すときのN極のふれる側を考えます。観察結果と比べてどの条件が変わるかを述べ、東側か西側かを答えてください。

出発点は「針が下、電流が南から北、N極は西側」です。求める条件は「針が上、電流が北から南」です。針の位置と電流の向きの両方が変わります。2つとも変わるから答えも必ず反対、と急がないことが分かれ目です。

まず針だけを上に移したと考えます。電流はまだ南から北なので、N極のふれる側は西側の反対の東側になります。次に針は上のまま、電流を北から南に逆転させます。ふれる側は東側の反対になり、西側です。変更した条件は、針の上下と電流の向きの2つです。

順番を入れ替えても同じ答えになります。先に電流だけを北から南にすると、下の針は東側にふれます。その後、針を上に移すと西側です。途中でできた条件は違っていても、最初と最後の条件が同じなら結果は一致します。

逆向きにたどる問いにも同じ表を使えます。針が下でN極が東側にふれた場合、下の行どうしを比べると、観察結果とはふれる側が反対です。針の位置は同じですから、電流の向きが観察結果と反対だったと考えます。求めるのが電流か針かを先に確認し、答えの欄を取り違えないようにします。

針の位置について「導線が針の下」と書かれている場合は、導線が下、針が上です。言葉の順番に引っぱられず、先に2つの名前を上下に書き、それぞれの高さを確定します。条件を整理する表には「方位磁針が導線の上」と書き直すと、前に使った表と同じ見方になります。

同じように、電流の向きが矢印で示されている場合は、矢印の始まりと先を方位で読みます。北の印が紙の左にあるなら、紙の左へ向かう矢印が北向きです。図を頭の中で回すのが難しいときは、紙の端に北と南を書き足し、矢印の始点から終点までをたどります。方位と高さを別に確かめてから表の行を選ぶと、見た目の上下だけで判断せずにすみます。

また、観察結果が「針が西へふれた」と書かれているとき、それがN極のふれなのかを確認します。問題でS極のふれを示しているなら、針の両端は反対側を向くので、N極のふれに直してから表を使います。どちらの極か書かれていない記録だけでは、東西の向きを決められません。図の矢印に何を表す印があるかまで確認することが、条件を読む作業の一部です。

図を写す前に直したい読み違い

図3のように、南から北へ流すとき、針が下なら西側、上なら東側にふれます。間違った答えの例は、下にある針の西側という結果を、上にある針にもそのまま写してしまうことです。電流だけを見て上下の条件を見落とすと、この誤りが起こります。

直すときは、横から見た配置に戻り、下と上のどちらが変わったかに印をつけます。電流は変わらず、位置だけが変わったので、ふれる側を西側から東側に直します。針のN極とS極を逆に描いていないかも確かめます。答えるのはN極のふれる側であり、反対側にあるS極の向きではありません。

もう1つの誤りは、上から見た図の右をいつも東と決めることです。北が紙の右を向く図なら、その図の東は紙の下になります。図を回しても方位そのものは変わらないので、北を見つけてから東西を決めます。問題の図に方位が示されていなければ、紙の上下左右だけで方角を決めることはできません。

電流が流れる前から針が北以外を指している、あるいは導線の上下が読み取れない場合も注意します。近くの磁石などの影響や配置が示されなければ、この表の条件に当てはめて答えを断定できません。観察結果が途中で欠けているときも、何を変えたのかが確定するまで向きを決めず、必要な条件を探します。

自分でたどる4問

次の各問は、いずれも南北に水平に張った直線導線を使います。電流を流す前はN極がおよそ北を指し、導線によるふれが読み取れるものとします。南から北への電流で、導線の下の針のN極が西側にふれるという観察結果を使ってください。答えはそれぞれ指定された形で書きます。

1. 記録用紙の装置では、針は導線の下にあり、電流は北から南へ流れます。N極のふれる側を東側か西側で答えてください。
2. 別の配置では、針は導線の上にあり、電流は北から南へ流れます。N極のふれる側を東側か西側で答えてください。
3. 針を導線の上に置いたところ、N極は東側にふれました。電流の向きを、南から北か北から南の言葉で答えてください。
4. 観察結果と電流の向きは同じですが、針の位置が書かれていない記録があります。N極が東側にふれたなら、針は導線の上と下のどちらにありますか。位置を言葉で答えてください。

ここで一度、各問の電流と針の位置を別々に書き出してから、答えを見てください。3と4はふれ方から条件を探します。求める欄がどちらかを囲むと、問われたものを答えやすくなります。

答えとたどり方

1. 東側です。針は観察結果と同じく下にあります。電流だけが南から北から、北から南へと逆になっているので、西側の反対にふれます。針の上下を変えた場合と混ぜず、変わった条件を1つと数えます。
2. 西側です。観察結果から針を上にすると東側、さらに電流を逆にすると西側です。2つの変更を一度に処理せず、途中に「針が上、電流が南から北」という状態を置くと確かめられます。
3. 南から北です。針が上のとき、南から北へ流せば東側にふれます。逆向きに流せば西側になるので、観察した東側と一致する電流を選びます。電流の矢印と針の矢印は違うものとして読みます。
4. 導線の上です。電流は観察結果と同じで、ふれる側が西側から東側へ変わっています。したがって針の位置が下から上に変わったと考えます。「導線の上」とは針が導線より高い位置にあるという意味です。

答えを表に戻して確かめるときは、電流の向きの列と針の位置の列を同時に指で押さえ、その行のふれを読みます。3や4のように答えが条件の側にある問題では、ふれの列から出発し、問題に与えられたもう一方の条件で行を絞ります。違う行の言葉をつなぐと、実際には表にない組合せを作ってしまいます。

覚えておくこと

• 先に北を確認し、上から見た方角と横から見た高さを分けます。
• 南から北への電流では、導線の下の針のN極は西側にふれます。
• 電流の向きか針の上下を1つ逆にすると、ふれる側も逆です。
• 2つとも逆にすると、ふれる側は出発点と同じです。
• 問題で示された配置と、N極が北からふれる側を答えます。

お子さまと図を見るとき

お子さまが同じ向きを2つの針に描いたら、すぐに東西の答えを伝える前に、どちらの針が導線の上にあるかを横からの図で指してもらいます。次に電流の矢印をたどり、観察結果と比べて何が変わったかを1つずつ言葉にします。位置がわかっても方角を取り違える場合は、上から見た図に北を書き、東西を確かめるところへ戻ります。

2つの条件が変わる問いでは、途中の状態を紙に書いてもらうと、どこで向きを逆にしたかを見直せます。説明を聞いてすぐに正しい矢印を写すより、出発点から変更を1つずつ追って、自分で矢印を置き直す時間を取ります。導線の上下と電流の向きがそろうと、針のふれ方にも筋道が見えます。