V 用2

して，理由とともに答えてください．

3. 1. と 2. の予想を実験で確かめて下さい．

Station C

＜器具の説明＞



豆電球は 2.5Ｖ用と 3.8Ｖ用の二種類使用することができます



二種類の豆電球の抵抗値は 3.8Ｖ用＞2.5Ｖ用です



電源装置は 3V 以上にしないようにしてください



ショート回路に気を付けてください

2.5V 用 3.8V 用 2

. 0 V 2.0V

3.8V 用

2.5V 用 2 . 0 V

図 1. 図 2. 2.0V

読みものよる学習

資料を読んで，質問に答えなさい．

Station D

Station D 読み物による学習

電球二つの一般的な直列回路と並列回路の水流モデルを図に示します（図１）．このような水流モデ ルでは，電気の流れを水の流れと考え，電池は水をくみ上げるためのポンプの役割，電球（抵抗）は水 の流れによって回る水車と考えます．くみ上げられた水は滝となって落下し，水車をまわします．つま り，滝の落差が大きいほど水車は速く回転し，電球が明るく点灯します．

図１ 電球 2 個の水流モデル（左；直列回路，右；並列回路）

図における電球の抵抗と各回路での合成抵抗について考えます．

直列回路では各抵抗に流れる電流が等しく，オームの法則（E=RI）より抵抗が大きい程大きな電圧が かかることになります．各抵抗 R₁，R₂の合成抵抗 R は次のように求めることができます．

R＝R₁＋R₂

並列回路では，各抵抗に同じ電圧がかかり，抵抗が小さい程大きな電流が流れます．各抵抗 R₃，R₄の 合成抵抗 R’は次のように求めることができます．

1/R’＝1/R3＋1/R₄

次に，電球が光る原理について考えます．白熱電球はバルブと呼ばれるガラス体の内部にアルゴンな どの不活性ガスを充填し，発光体であるフィラメントが内部に取り付けられています．フィラメントは 抵抗値が非常に高いタングステンという金属をコイル化したもので出来ています．フィラメントに電流 が流れるとフィラメント自体の電気抵抗にて２千数百度に熱せられ，白熱化し，やや赤みを帯びた白色 光を発します．いわゆる鉄を熱し続けると光を発するのと同じ原理です．熱と光を同時に発生させるた め，バルブやランプ周囲に熱が伝わり，温度が上昇します．白熱電球内部のフィラメントは 3000 度程 度の高温になっているため，バルブへの熱の伝達により，バルブのガラス面は 100～200 度の高温にな っていますので，触ってはいけません．

100W の電球は，1 秒間に 100J の熱や光のエネルギーを出します（図２）．この熱や光のエネルギーは，

電球に流れる電気エネルギーが移り変わったものです．1 秒間にどれだけの電気エネルギーが他のエネ ルギーに移り変わるかを表すのが電力[W]です．電力は電気器具にかかる電圧と流れる電流の積で求め られます．式で表すと以下のようになります．

電力〔W〕＝電流〔A〕×電圧〔V〕

電気器具で用いられている電力の表示は，その器具が消費する電力を示しています．例えば，「100V

～ 50-60Hz 1000W」の表示がされているアイロンでは，家庭用の 100V の電源につないだときに 1000W の電力を消費することを表しています．電力が大きいほど，1 秒あたりにたくさんの電気を消費し，電 気機器による光，音，熱，運動などのはたらきが大きい事になります．

そこで，4Ωの電熱線に電流を流したときに上昇する水の温度と電力はとどのような関係があるかを 調べる実験を行いました．電熱線を断熱容器に入れ，電源装置でかける電圧を変えながら，電圧計と電 流計で電流と電圧を測定すると同時に温度計で水の温度を測定しました（図３）．電熱線にかかる電圧 を 3.0V,4.0V,5.0V,6.0V と変えたときの電流値，電力，5 分後の水の温度上昇をまとめた結果が表１で す．この表から電力の大きさと，電流を流した 5 分後の水の上昇温度との関係をグラフにすると図４の ようになりました．以上より，次のようなことがわかりました．

 電力が大きいほど，一定時間の電熱線の発熱が大きく，水の温度が上昇する．

 電流を流した時間が一定の場合，電熱線の発熱量は電力の大きさに比例する．

図２ 電気エネルギーから光や熱のエネルギーへの変換

図３ 電熱線発熱量の測定実験

100Wの電力

（1秒間に100Jの電気 エネルギ―を消費）

100Wの仕事率

（1秒間に100Jの 光や熱が出る）

表１ 電熱線の電力と水の上昇温度（4Ωの電熱線，5 分間電流を流した場合）

電圧〔V〕 3.00 4.00 5.00 6.00 電流〔A〕 0.75 1.00 1.25 1.50 電力〔W〕 2.25 4.00 6.25 9.00 水の温度上昇〔℃〕 1.50 2.70 4.30 6.20

図４ 電力の大きさと 5 分後の水の温度変化のグラフ

（図 3,4 表 1：「未来へ広がるサイエンス２（啓林館，平成 23 年検定済み）より引用）

問題

図の回路において同じ電圧の電源を用いたとき，100W 電球 A（1Ω）,40W 用電球 B（250Ω）,100W 用電 球 C（1Ω）,40V 用電球 D（250Ω）の明るさの順番とその理由を答えてください．

0.0 2.0 4.0 6.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

上 昇 し た 温 度

〔

℃

〕 電力〔W〕

電球 A

電球 B

電球 C 電球 D

問題（回答）

電球 B→A→C→D

各ステーションでの準備物（括弧内は準備物の個数）

ステーション Station A Station B Station C Station D

準備物

電源装置(1) 電源装置(1) 電源装置(1) 読 み 物 資 料(人 数 分)

2.5V用豆電球(3) 2.5V用豆電球(2) 2.5V用豆電球(3) 計算用紙

3.8V用豆電球(3) 3.8V用豆電球(2) 3.8V用豆電球(3) 計算機（携帯可）

端子台(2) 端子台(2) 端子台(2) スイッチ(2) スイッチ(1) スイッチ(2) 両ミノムシリード

線(16)

両ミノムシリード 線(8)

両ミノムシリード 線(16)

電流計(2) 電流計(1) 電流計(2) 電圧計(2) 電圧計(1) 電圧計(2)

「電気の学習」 （2012 年 6 月 18 日）

「電気の学習」について，A～D の 4 つの探究方法（授業方法）を体験していただきました．

（A．自由に探究してみよう B．手順に沿って探究してみよう C．知識を活用して探究してみよう D．読み物を読 んで探究してみよう）