154 ! 電流のはたらきと電気器具 1 電気がもつエネルギー 電流によって，熱や光，音な どが発生したり，物体を運動させたりすることができる。 これは，電気がエネルギーをもっているためである。 ○熱や光，音などもエネルギーをもっている。 2 熱を発生させる電気器具 電気ストーブ，電気ポット， ドライヤー，電子レンジなど。電子レンジ以外は，電熱 線に電流が流れることによって，熱が発生する。 3 光を発生させる電気器具 電球，蛍けい光こう灯とう，発光ダイオ ードなど。電球は熱に強いタングステンでつくったフィ ラメントに電流が流れて光が発生する。 4 音を発生させる電気器具 ブザー，ラジオ，ステレオ など。ブザー以外は，中に音を出すスピーカーがある。 5 物体を運動させる電気器具 掃そう除じ機き，洗せんたく濯機き，扇せん風ぷう機き， 電車など。多くの器具の中にはモーターがある。 " 電力と熱量 1 電力 電気器具が１秒あたりに消費する電気の量 で，これによって電気器具の能力の大小が表される。 ①電力の単位 Ｗワット，kキロWワットを使う。 １kW＝1000Ｗ ②電力を求める式 電力 P〔Ｗ〕は， 電圧 V〔Ｖ〕と電流 I〔Ａ〕の積 で求められる。 電力〔W〕＝電圧〔Ｖ〕×電流〔Ａ〕 P＝V I ③１Ｗとは 電気器具に１Ｖの電圧を加えて，１Ａ の電流が流れたときの電力。 ④消費電力 電気器具に表示されている﹁100V− 1000W﹂は，100Vの電圧で使用したとき，その電 気器具が消費する電力は1000Wであることを表し ている。このような電力の表し方を消費電力とい う。なお，このとき10Aの電流が流れる。 ⑤全体の消費電力 使用した各電気器具の消費電力 の和になる。 / １ 電流のはたらきとその利用 電気ポット 熱 電気 電気 光 発光ダイオード ＋ ＋ − − 電気 運動 扇風機 ステレオ 音 電気 100W用 60W用 40W用 コンセントへ / 2 電力による電気器具のはたらき 電気器具に流れる電流の強さは， 100Ｗ用 100〔Ｗ〕÷100〔Ｖ〕＝１〔Ａ〕 60Ｗ用 60〔Ｗ〕÷100〔Ｖ〕＝0.6〔Ａ〕 40Ｗ用 40〔Ｗ〕÷100〔Ｖ〕＝0.4〔Ａ〕 全体の消費電力は， 100＋60＋40＝200〔Ｗ〕
18
電気とそのエネルギー
３章 電流とその利用 ★家庭の配線 家庭の配線は，並列つなぎに なっているので，コンセントにつなぐとど の電気器具にも同じ100Ｖの電圧が加わる。 ★ワット 蒸気機関 を改良したイギリ スの技術者。電力 の単位はワットの 名からつけられた。155 2 電力量 電流によるはたらきの総量（消費された電気のエネルギーの量）。 ○電力量の単位とそれを求める式 Jジュール，Wワットｓ秒，Wワットｈ時，kキロWワットh時を使い， 電力と時間の積で求められる。 電力量〔Ｊ〕＝電力量〔Ws〕＝電力〔W〕×時間〔s〕 １Ｊとは １Ｗの電力を１秒間使用したときの電力量。１Ｊ＝１Ｗs 電力量〔Wh〕＝電力〔W〕×時間〔h〕 １Whとは １Ｗの電力を１時間使用したときの電力量。1000Wh＝１kWh 3 熱量 電熱線で発生する熱の量（熱量）は，電熱線 で消費した電力量と同じである。 ①熱量の単位とそれを求める式 電力量と同じＪを使い，電力と時間の積で求められる。 熱量〔Ｊ〕＝電力〔W〕×時間〔s〕 １Ｊとは １Wの電力で，電熱線に１秒間電流を流したときに発生する熱量。 ②カロリー（cal） 日常生活で使われる熱量の単位。１calは，水１ｇの温度を１℃上じょう昇しょうさせる のに必要な熱量であり，１J＝約0.24cal，１cal＝約4.2J の関係がある。 4 熱量と水の温度上昇 １ｇの水の温度を１℃上 昇させるには約4.2Jの熱量が必要である。一定量 の水の上昇温度からも，電熱線から水が得た熱量 を知ることができる。 熱量〔Ｊ〕＝4.2×水の質量〔ｇ〕×水の上昇温度〔℃〕 結 果 結 果 結 果 結 果 ★１Jは１ｇの水の温度を0.24℃上昇させるの に必要な熱量であるので，１ｇの水の温度を １℃上昇させるのに必要な熱量は， １〔J〕× 10.24＝約4.2〔J〕 重 要 実 験 電熱線の発熱と電力，電力量 ¡ ６Ｖ-６Ｗ，６Ｖ-９Ｗ，６Ｖ-18Ｗの電熱線を用いて，図のよ うな回路をつくり，電熱線に6.0Ｖの電圧を加える。 ™ ときどきかき混ぜ，水の上昇温度を調べる。 電源装置 − ＋ 室温によっても，水はあたたまる ので，水温が室温と同じくらいに なるまで放置した水を使う。 温度計 発泡ポリスチ レンのカップ 電熱線 電流計 はっぽう 電力と５分後の上昇温度 上昇温度 ︹ ℃ ︺ 電力〔W〕 15 10 5 0 0 6 12 18 水の上昇温度は，電力 に比例する。 水の上昇温度は，電力量に比例する。 電力量と上昇温度 上昇温度 ︹ ℃ ︺ 電力量〔J〕 15 10 5 0 0 1800 3600 5400 時間と上昇温度 上昇温度 ︹ ℃ ︺ 時間〔分〕 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 水の上昇温度は，電流を 流す時間に比例する。 6W 9W 18W 時間〔分〕 1 2 3 4 5 水の上 昇温度 〔℃〕 6 Ｗ 0.8 1.6 2.4 3.1 4.0 9 Ｗ 1.2 2.5 3.6 4.7 6.0 18 Ｗ 2.4 4.8 7.2 9.4 12.0 ５分間の電力量 ６W… 6〔W〕×300〔s〕＝1800〔Ｊ〕 ９W… 9〔W〕×300〔s〕＝2700〔Ｊ〕 18W…18〔W〕×300〔s〕＝5400〔Ｊ〕 ★ｓは秒，ｈは時間を表 す単位の記号である。 ★ジュール 電流が熱を発生するはたらきを 研究したイギリスの科学者。熱量の単位は， ジュールの名からつけられた。
156 ［電流のはたらきと電気器具］ □1 次の文の空くう欄らんにあてはまることばは何か。 電流によって，熱や光，音などが発生したり，物体を（ ）させたりすることが できる。これは電気が（ ）をもっているためである。 2 次の電気器具は，おもに，電流のどのようなはたらきを利用する器具か。 □① ラジオ（ ） □② 電気ストーブ（ ） □③ 掃そう除じ機き（ ） □④ 水すい銀ぎん灯とう （ ） ［電力と熱量］ □3 電気器具が１秒あたりに消費する電気の量を何というか。（ ） □4 電力の単位Ｗを何と読むか。 （ ） □5 １Ｖの電圧を加え，何Ａの電流が流れたときの電力が１Ｗか。 （ ） □6 次の空欄にあてはまることばや単位は何か。 電力〔 〕＝（ ）〔Ｖ〕×（ ）〔Ａ〕 □7 豆電球に３Ｖの電圧を加えたところ，1.2Ａの電流が流れた。このとき，豆電球が消費す る電力は何Wか。 （ ） □8 ﹁100Ｖ−600Ｗ﹂と表示されている電気器具を家庭用の100Ｖの電源につないだときに消 費する電力は何Ｗか。また，この電気器具に流れる電流の強さは何Ａか。 電力（ ） 電流（ ） □9 消費電力が﹁100V−150Ｗ﹂と﹁100V−60Ｗ﹂の電気器具をコンセントにつないで，同時に 使ったとき，全体の消費電力は何Ｗか。 （ ） □0 電流によるはたらきの総量を何というか。 （ ） □q 次の空欄にあてはまることばや単位は何か。 電力量〔Ｊ〕＝（ ）〔W〕×時間〔 〕 □w １Ｊは１Wの電力を何秒使ったときの電力量か。 （ ） □e １kWhは何Whか。 （ ） □r 電熱線に100Ｖの電圧を加えたところ，10Ａの電流が流れた。１分間使用したときの電 力量は何Ｊか。 （ ） □t 電熱線で発生する熱の量を何というか。 （ ） □y １Ｗの電力で１秒間電流を流したときに発生する熱量は何Ｊか。 （ ） □u 次の文の空欄にあてはまることばは何か。 熱量の単位は，（ ）と同じＪを使うが，日常生活では，熱量の単位とし て（ ）も使われる。１calは，およそ（ ）Ｊである。 □i 次の文の空欄にあてはまることばは何か。 熱量〔J〕＝4.2×水の（ ）〔ｇ〕×水の（ ）〔℃〕 □o 電熱線に電流を数分間流したところ，100ｇの水の温度が2.5℃上じょう昇しょうした。このとき，水 が得た熱量は何Ｊか。 （ ）
練習問題
基本演習
5
電熱線の発熱量と水が得た熱量 電熱線で発生した熱量について，次の問いに答えなさい。 1 14Ωの電熱線を20℃の水300ｇの中に入れて，42Vの電圧を５ 分間加えたところ，水の温度が50℃になった。 ① この電熱線の電力は何Wか。 ② ５分間に水が得た熱量は何Ｊか。 2 図は４本の電熱線R１〜 R４の電圧 と電流の関係を表したものである。 ① 図から，電熱線に加える電圧を 大きくするほど，流れる電流と消 費する電力はどうなるといえるか。 ② 同じ電圧を加えたとき，一定時 間に発生する熱量がもっとも大き い電熱線はどれか。6
電力と水の上じょう昇しょう温度 電熱線を使って図のような装置をつくり，電熱線で発生する熱量を 調べる実験をした。あとの問いに答えなさい。ただし，電熱線の熱量はすべて水の温度上昇 に使われ，電圧を変えるごとに，また電熱線をかえるご とに，同量のくみ置きの水と入れかえた。 〔実験１〕 電熱線に加える電圧を変えたときの，電熱線 を流れた電流と３分間に上昇した水の温度を測定した。 表はその結果と電力を表しそうとしたものである。 〔実験２〕 電熱線を抵抗が４Ωのものにかえ，電熱線に 加える電圧を6.0Vにして，スイッチを入れた。 1 実験１で，電熱線に加える 電圧を変えたときの電力はそ れぞれ何Wか。表の空くう欄らんに記 入しなさい。 2 1から，電圧が２倍になる と，電力と３分間の水の上昇 温度はそれぞれ何倍になるか。 3 実験１で，電圧を8.0Vにすると，水の温度は３分間で何℃上昇 すると考えられるか。 4 実験２で，水の温度は３分間で何℃上昇すると考えられるか。 次のア〜エから選び，記号で答えなさい。 ア 1.2℃ イ 2.4℃ ウ 3.6℃ エ 4.8℃ 5 4のとき，この電熱線で発生した熱量は何Ｊか。また，この水 が３分間に得た熱量は何calか。１J＝0.24calとして計算しなさい。6
の答え 1 表に書く。 2電力 上昇温度 3 4 5電熱線 水 0 5 1 0 15 2V0 25 01 2345 6 A 電流計 熱量計 電熱線 水 電圧計 スイッチ 電源装置 温度計 かき混ぜ棒 電圧 〔Ｖ〕 2.0 4.0 6.0 電流 〔Ａ〕 1.0 2.0 3.0 電力 〔Ｗ〕 上昇温度〔℃〕 0.8 3.2 7.25
の答え 1① ② 2①電流 電力 ② 電 流 ︹ ︺A 電圧〔V〕 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 R3 R2 R1 R4160
重点演習
7
熱量の公式の利用 z 20℃の水200gの中に電熱線を入れた。 この電熱線に21Ｖの電圧を加え，８Ａ の電流を２分間流した。このとき，水 の温度は何℃上じょう昇しょうするか。 1 10℃の水300gの中に電熱線を入れ，３分間電流を流すと，水の温度は19℃になった。こ のときの電熱線の電力は何Ｗか。 （ ） 2 50Wの電熱線を10℃の水の中に入れ，５分間電流を流すと，水の温度は30℃になった。 このときの水の質量は何ｇか。小数第１位を四捨五入して，整数で答えなさい。（ ） x 21〔Ｖ〕×8〔Ａ〕×120〔s〕＝20160〔Ｊ〕 水の上昇温度をx℃とすると， 20160〔Ｊ〕＝4.2×200〔ｇ〕×x〔℃〕 x＝24〔℃〕 水の上昇温度を求める式 電熱線の発熱量〔J〕＝電力〔W〕×時間〔s〕…① 水が得た熱量〔J〕 ＝4.2×水の質量〔ｇ〕×水の上昇温度〔℃〕…② ①＝②のとき， 水の上昇温度〔℃〕＝電力〔W〕×時間〔s〕4.2×水の質量〔g〕8
直列・並列回路と水の上昇温度 z 図で，水の上昇温度が大きくなるの は，Ｘ，Ｙのどちらか。 1 図で，電熱線ａの抵抗を10Ω，電熱線ｂの抵抗を20Ω，Ｘ，Ｙの電源装置の電圧を６Ｖ とする。一定時間の発熱量を比べると，ＸはＹの何倍になるか。 （ ） x 電源の電圧の大きさは同じなので，回路全 体に流れる電流が強いほうが，電熱線全体の 発熱量が大きくなる。並列つなぎである，Ｘ のほうが電熱線全体の抵てい抗こうが小さいので，回 路全体に流れる電流は強い。よって，Ｘのほ うが単位時間あたりの水の上昇温度が大きい。 直列・並列つなぎの電熱線が同じ容器の水の中にある場合の水の上昇温度（水の量は同じ） 図Ⅰ，Ⅱのように，同じ大きさの電圧を加えたと き，電熱線全体の抵抗の大きさが小さくなる並列 回路のほうが，回路全体に強い電流が流れる。こ のため，電熱線全体での発熱量は，並列回路のほ うが大きくなる。５分間の合計の熱量は， 図Ⅰ ６〔V〕×１〔A〕×300〔s〕＝1800〔J〕 図Ⅱ ６〔V〕×0.24〔A〕×300〔s〕＝432〔J〕 直列・並列つなぎの電熱線がそれぞれ別の容器の水の中にある場合の水の上昇温度（水の量は同じ） 電熱線 a，b を並列・直列につないで，同量のくみ置 きの水が入った容器に入れ，電源の電圧の大きさを同 じにして，５分後の水の上昇温度を調べた。 X 電源装置 電熱線 a 電熱線 a 電熱線b 電熱線 b Y 電源装置 水 発泡ポリスチ レンのカップ はっ ぽう 図Ⅰ 図Ⅱ 電源装置 15Ω 10Ω 6Ω 6 V 6 V 1A 1A 0.24A 0.24A 15Ω 10Ω 25Ω 図Ⅲ 6 V 0.24A 15Ω 10Ω Q15 Q10 図Ⅳ 6 V 0.4A 0.4A 0.6A 0.6A 15Ω 10Ω Q15 Q10 ・並列つなぎ 発熱量は， 電流に比例し，各抵抗 の大きさに反比例する。 発熱量 Q15，Q10は， Q15： Q10＝２：３ ・直列つなぎ 発熱量は， 電圧に比例し，各抵抗 の大きさに比例する。 発熱量 Q15，Q10は， Q15： Q10＝３：２発泡ポリスチレンのカップを用意し，室温と同じ温度の水100gを入れた。電熱線X，電熱 線Yを用いて図１のような回路をそれぞれつくり，電流を流したときの５分間の水の上昇温 度を，電源装置の電圧を変えて測定した。表は，それぞれの結果をまとめたものである。あ との問いに答えなさい。 （福島・改） 1 図１の回路を，電熱線Ｘを用いてつくり，電源装置の電圧を 8.0Vにして電流を流したとき，電熱線Ｘを流れる電流は何Aか。 ただし，水１ｇの温度を１℃上昇させるのに必要な熱量を4.2 Ｊとする。 2 図１の電熱線Ｘを，図２のように電熱線 Ｘと電熱線Ｙを並列につないだものにかえ， 電源装置の電圧を６Vにすると，５分間の 水の上昇温度は何℃になるか。 ２種類の電熱線と容器Ａ〜Ｄを用いて，次の実験を行った。あとの問いに答えなさい。た だし，容器と外部との熱の出入りはなく，電熱線で発生した熱はすべて水の温度上昇に使わ れるものとする。 〔実験〕 抵抗が４Ωと２Ωの 電熱線を用意し，容器Ａと Ｃには４Ωの電熱線を，容 器ＢとＤには２Ωの電熱線 をとりつけた。これらの容 器に18.0℃の水を100ｇずつ 入れ，電熱線を水の中に入 れて，図１，２のように配 線した。電源装置の電圧を 12Ｖにして，一定時間電流 を流したあと，それぞれの 容器の水の温度を調べた。 1 電熱線に流れる電流がもっとも強いのは容器Ａ〜Ｄのどれか。 記号で答えなさい。 2 図１，２の回路に電流を同じ時間流したあと，容器Ａの水の温 度は25.2℃であった。このとき，容器Ｄの水の温度は何℃か。 1 の答え 1 1 2
チャレンジ問題
電熱線X − ＋ 発泡ポリスチ レンのカップ 室温の水 100g 図１ 2 図１ 図２ 容器B 容器A 水 100g 電熱線 4Ω 電熱線 2Ω ＋電源装置− かき混ぜ棒 温度計 ＋電源装置− 容器C 電熱線 4Ω 容器D 電熱線 2Ω 電源装置の電圧〔V〕 2.0 4.0 6.0 8.0 水の上昇温度〔℃〕 電熱線Ｘ 0.5 1.9 4.3 7.6 電熱線Ｙ 1.4 5.7 12.9 22.9 電熱線Y 電熱線X 室温の水 100g 図２ の答え 2 1 2162
1
図１のような回路をつくり，抵てい抗こう器にいろいろな大きさの 電圧を加え，抵抗器を流れる電流の強さを調べる実験を行っ た。表は，その結果をまとめたものである。次の問いに答え なさい。 1 表をもとに測定値をすべてグラフに表すとき，グラフの目盛りをどのように決めて記入 すればよいか。次のア〜オから選び，記号で答えなさい。 2 抵抗器の抵抗は何Ωか。 3 図１の抵抗器と同じ抵抗器を２つ使っ て，図２，３の回路をつくった。図１，２， ３の回路で，ａｂ間に同じ大きさの電圧 を加えたとき，ｃ点を流れる電流の強さ をそれぞれI1，I２，I３とする。このとき，電流の強い順に並べるとどうなるか。記号を用いて答えなさい。
2
次の実験について，あとの問いに答えなさい。 〔実験１〕 図１のように，豆電球と抵抗器を 直列につなぎ，電源装置の電圧を変え，豆 電球に加わる電圧と豆電球に流れる電流の 強さの変化を調べた。 〔実験２〕 図２のように，実験１と同じ豆電 球と抵抗器を並列につなぎ，実験１と同様 の実験を行った。 〔結果〕 表は，実験１と２の結果の一部である。 （８点×３） 1 2 3 → → 電圧〔Ｖ〕 0 2 3 5 10 電流〔mA〕 0 160 240 400 800 a b c A V ) 図１ 1 ︹ ︺ ア A 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 5 電 流 電圧〔V〕 ︹ ︺ イ A 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 電 流 電圧〔V〕 ︹ ︺ ウ mA 800 400 240 160 0 0 1 2 3 4 5 電 流 電圧〔V〕 ︹ ︺ エ mA 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 電 流 電圧〔V〕 ︹ ︺ オ mA 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 電 流 電圧〔V〕 a b c A V a b c A V ) 図２ 図３ 2 )3 電源装置 電流計 電流計 抵抗器 図１ 図２ Ａ Ｆ Ｇ Ｅ Ｄ Ｂ Ｃ − ＋ − ＋ 電源装置の電圧〔Ｖ〕 豆電球に加わる電圧〔Ｖ〕 豆電球に流れる電流〔Ａ〕 実験１ 5.5 2.5 0.30 実験２ 2.5 2.5 0.30まとめのテスト
1 図１の回路で，豆電球に加わる電圧を測定するには，電圧計の＋端たん子しと−端子をどこに つなげばよいか。図のＡ〜Ｄからそれぞれ選び，記号で答えなさい。 2 実験１，２の結果から，豆電球の抵抗は何Ωか。四捨五入して小数第１位まで求めなさ い。 3 図２の回路で，電源装置の電圧が2.5Ｖのとき，Ｅ〜Ｇを流れる電流の強さはどうなるか。 電流が強い順に並べ，記号で答えなさい。 4 次の文の（ ）にあてはまる数を答えなさい。 適当な抵抗器と豆電球を直列につなぐことによって，豆電球に加わる電圧を制せい御ぎょするこ とができる。図１の回路において，電源装置の電圧が10.0Ｖのとき，豆電球に加わる電圧 を2.5Ｖにするためには，図に示されている抵抗器のかわりに（ ）Ωの抵抗器をつなげ ばよい。
3
電流による発熱を調べるために，図のような， 15℃の水をそれぞれ100ｇ，200ｇ入れた容器Ｘ， Ｙに，抵抗がそれぞれ10Ω，25Ωの電熱線 R１， R２を入れた装置を用意した。この装置のスイッ チを入れたところ，電熱線R１を流れる電流の 強さは1.0Ａであった。次の問いに答えなさい。 ただし，電熱線で発生する熱はすべて水の温度 上 じょう 昇 しょう に使われ，容器は外部と熱の出入りをしな いものとする。 1 電熱線R２を流れる電流の強さは何Ａか。 2 電熱線R１，R２が消費する電力はそれぞれ 何Ｗか。 3 容器Ｘの水は，スイッチを入れてから７分後に温度が25℃になった。ただし，水１ｇの 温度を１℃上昇させるのに必要な熱量は4.2Ｊで，水の上昇温度は水の質量に反比例するも のとする。 ① この間に容器Ｘの水が得た熱量は何Ｊか。 ② このとき容器Ｙの水の温度は何℃になっているか。 ③ 容器Ｙの水の温度を25℃にするためには，スイッチを入れてから何分間電流を流し続 ける必要があるか。 （６点×６） 1 2 R1 R2 3 ① ② ③ 電源装置 ＋ − 容器 X 容器 Y R2（25Ω） R1（10Ω） 水100g 水200g Ａ Ａ （８点×５） 1 ＋端子 −端子 2 3 → → 4３章 電流とその利用 186
