電流・電圧の関係と抵抗

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第２学年○組 理科学習指導案

指導者 １ 単 元 「電流・電圧の関係と抵抗」 ２ 指導観 ○ 1879 年エジソンは白熱電球を発明し，世界で初めての発電所をつくった。今となっては，照明や家 電製品など，電気を利用した器具や装置のおかげで，わたしたちは豊かな生活をおくることができて いる。IT 機器の発達や電気自動車の普及など，今後も電気エネルギーは現代社会を支えていくだろう。 本単元は，抵抗に加わる電圧と電流を調べる実験や，回路全体の抵抗を調べる実験を通して，電流 と電圧，電気抵抗について規則性や関係性を見いだし，日常生活と関連付けて捉えさせることをねら いとする。学習内容としては，オームの法則，物質の抵抗の長さと幅の関係，抵抗のつなぎ方と合成 抵抗の関係などがある。現在，わたしたちの生活は電気によって支えられている。しかしながら，電 気火災や感電などの事故が起こっているという現状もある。限られた電気エネルギーを，有効かつ安 全に利用していくためには，オームの法則などの基礎的な原理・原則はもちろん，日常生活と電気の 関係について知っておくことが不可欠である。これらの内容について，仮説をもとに実験を計画した り，調べた結果をグラフや表で表したり，規則性を見いだし説明したりしながら学習していくことは， 理科の見方・考え方の１つである，量的・関係的な視点を豊かで確かなものにし，自然の事物・現象 を日常生活と関連付けながら，科学的に探究しようとする態度を養う上で，大変意義深いといえる。 〇 本学級の生徒は，理科の学習に対する興味・関心が非常に高く，授業中も積極的に自分の考えを発 言できる生徒が多い。これまでに，小学校では乾電池の数とつなぎ方，電気の利用について，中学校 では直列回路と並列回路における電圧や電流の規則性について学んでいる。事前に行ったアンケート 調査では，理科が好きかという問いに対して，〇％の生徒が「とても好き」，〇％の生徒が「やや好き」 と回答した。しかし，理科で学習した内容が，日常生活に役に立つかという問いに対しては，〇％の 生徒が「とても役に立つ」，〇％の生徒が「やや役に立つ」と回答し，〇％の生徒は「あまり役に立た ない」または「全く役に立たない」と回答していた。これを受けて，これまで学習した内容について 確認テストを実施したところ，理科で学習した内容と日常生活とを関連付けた問いの正答率が〇％で あり，理科と日常生活が結びつけられていない生徒が多いことが分かった。また，６月に行われた標 準学力調査において，観点別評価段階人数を比較すると，「知識や技能」に関する問題で，Ａ評価を得 た割合はどちらも〇％を超えていたが，「思考力や表現力」を問う問題で，Ａ評価を得た割合は〇％と 低い傾向が見られた。以上のことから，理科と日常生活を関連付けて捉えられるように単元を構成し， 科学的に探究する活動を通して，科学的な思考力や表現力を育てることが必要であると考える。 〇 本単元の指導にあたっては，抵抗器に加わる電圧と流れる電流を調べる実験を行い，電流や電圧， 抵抗について規則性や関係性を見いださせたい。また，直列回路と並列回路の合成抵抗について調べ る実験を行い，その規則性を日常生活と関連付けて捉えさせたい。そのためにまず，電熱線に加わる 電圧と流れる電流の関係について調べさせる。ここでは，電流は電圧に比例すること，物質によって 電流の流れにくさが異なることを指摘させるために，結果をグラフで表すよう指示し，傾きの違いは 何を意味するか問う。次に，抵抗を直列または，並列につないだときの電流の流れ方を調べさせる。 ここでは，回路によって合成抵抗の変化が異なる理由を説明させるために，電流の流れにくさと回路 の関係をモデルで表すよう指示する。さらに，物質の長さや幅が変わると，抵抗はどのように変化す るか調べさせる。ここでは，日常生活と関連付けて捉えさせるために，オーブントースターの発熱体 の画像を提示し，切れ込みが入っている理由を問う。最後に，身の回りにある物質の抵抗について調 べ，本単元で学習したことを振り返らせる。ここでは，電熱線や，豆電球の種類の違いが何に関係し ているか指摘させるために，電熱線と豆電球をルーペで観察させる。また，身の回りにあるものと抵 抗を関連付けて捉えさせるために，日常生活で導体と絶縁体がどのように使い分けられているか問う。

2 ３ 目 標 〇 電流や電圧，抵抗の関係，回路全体の抵抗の規則性について，実験器具を正しく操作して調べたり， 説明したりすることができる。 （知識及び技能） 〇 電流や電圧，抵抗の関係について，実験結果から自分の考えを導いたりまとめたりして表現できる。 （思考力，判断力，表現力等） 〇 豆電球や電熱線をはじめ，身の回りにあるものを，物質の抵抗と関連付けて捉えようとしている。 （学びに向かう力，人間性等） ４ 単元計画 段階 学習活動・内容 主題に迫るための手立て 評価規準【観点】 １次 １ 電 熱 線 に 加 わ る 電 圧 と 流 れ る 電 流 の 関 係について調べる。 ・比例の関係 ・オームの法則 〇 電圧と電流の関係について問題意識を もたせるために，豆電球に加わる電圧が変 わると明るさが変わる現象を振り返り，な ぜ変わるのか問う。 〇 電流は電圧に比例することを指摘させ るために，実験データをグラフで表すよう 指示する。 電熱線に加わる電 圧と流れる電流を正 しく測定し，電圧と 電流の関係をグラフ に 表 す こ と が で き る。【技能】 ＜様相観察・学習プ リント分析＞ ２ オ ー ム の 法 則 を 用 い て 電 熱 線 の 抵 抗 値 を計算する。 ・抵抗 ・オームの法則の計算 〇 電熱線の種類によって，電流の流れにく さが異なることを指摘させるために，前時 の実験でかいた２つのグラフを比較し，傾 きの違いは何を表しているか問う。 〇 次時以降に課題意識をもたせるために， ２つの電熱線の抵抗の大きさの違いは，何 に関係しているか問う。 抵抗が電流の流れ にくさを表すことを 指摘し，抵抗値をオ ームの法則を用いて 計算することができ る。【知識・理解】 ＜ペーパーテスト＞ ２次 ３ 抵 抗 を 直 列 に つ な い だ と き と 並 列 に つ な い だ と き の 電 流 の 流れ方を調べる。 ・直列回路と合成抵抗 ・並列回路と合成抵抗 〇 主体的に実験に取り組ませるために，抵 抗器のつなぎ方で回路全体の抵抗がどう 変わるか予想し，交流するよう指示する。 〇 回路によって合成抵抗の変化が異なる 理由を説明させるために，電流の流れにく さをモデルで表すよう指示する。 回路による合成抵 抗の規則性を，モデ ルを用いて説明する ことができる。 【思考・表現】 ＜学習プリント分析＞ ４ 物 質 の 長 さ や 幅 が 変わると，抵抗はどの よ う に 変 化 す る か 調 べる。【本時】 ・長さと抵抗 ・断面積と抵抗 ○ 根拠のある予想を立てさせるために，前 時に学習した内容と関連付け，なぜそう予 想したのかを説明するよう指示する。 ○ 学習内容を日常生活と関連付けて捉え させるために，オーブントースターの発熱 体の画像を提示し，発熱体に切れ込みが入 っている理由を問う。 物質の抵抗値は， 長さが大きく幅が小 さいほど，大きくな ることを指摘するこ とができる。 【思考・表現】 ＜学習プリント分析＞ ５ 身 の 回 り に あ る 抵 抗について調べ，本単 元の学習を振り返る。 ・電熱線の種類と抵抗 ・豆電球の種類と抵抗 ・導体と絶縁体 ○ 実験で使用した電熱線や，豆電球の種類 の違いが何に関係しているか指摘させる ために，電熱線と豆電球のフィラメントを ルーペで観察させる。 〇 身の回りにあるものと抵抗を関連付け て捉えさせるために，日常で導体と絶縁体 がどのように使い分けられているか問う。 実験で使用した器 具や身の回りの抵抗 について，これまで 学んだことを生かし て説明しようとして いる。【関・意・態】 ＜学習プリント分析＞

3 ５ 本 時 令和〇年〇月〇日（〇）〇校時 理科室にて （１）本時の指導観 前時までに生徒は，電熱線に加わる電圧と流れる電流の関係について調べ，オームの法則を用いて 抵抗値を計算し，直列回路と並列回路による合成抵抗の違いについて学習している。そこで本時は， 長さや幅を変えた放電記録紙の抵抗値を求める実験を行い，規則性を見いだす活動を通して，物質の 抵抗値は，物質の長さと幅（断面積）に関係していることを指摘することができるようになることを ねらいとする。そのためにまず，グラファイトシートに電圧を加えたときのようすを観察し，本時の めあてを確認させる。ここでは，本時の学習内容に興味・関心をもたせるために，長さを長く，幅を 細くしたグラファイトシートに電圧を加えると，赤く光るようすを演示実験で見せる。次に，グラフ ァイトシートの長さや幅を変えると，抵抗の大きさはどう変わるか予想し，調べさせる。ここでは， 根拠のある予想を立てさせるために，前時に学習した内容と関連付け，なぜそう予想したのかを説明 するよう指示する。また，実験に主体的に取り組ませるために，放電記録紙の幅や長さは班ごとに自 由に変えて実験させる。さらに，調べた結果を考察し，細長いグラファイトシートの抵抗の大きさを 説明させる。ここでは，グラファイトシートと抵抗の関係を捉えさせるために，冒頭で提示した２種 類のグラファイトシートの抵抗の大きさについて問う。また，学習内容を日常生活と関連付けて捉え さえるために，実物の発熱体の画像を提示し，発熱体に切れ込みが入っている理由を問う。最後に， 本時の学習内容を振り返り，物質の抵抗値が何によって変わるか確認させる。ここでは，本時の学習 内容を捉えさせるために，個人で振り返った内容を発表させ，本時のまとめを行う。 （２）主眼 長さや幅を変えた放電記録紙の抵抗値を求める実験を行い，規則性を見いだす活動を通して，物質 の抵抗値は，物質の長さと幅（断面積）に関係していることを指摘することができる。 （３）授業仮説 グラファイトシートが赤く光るものと光らないものを提示し，グラファイトシートの長さや幅を変 えると，抵抗の大きさはどう変わるか予想し，実験を行い，結果を分析して解釈させ，オーブントー スターに使われている発熱体と関連付けて捉えさせる。このことで，量的・関係的な見方を働かせ， 物質の抵抗値は，物質の長さと幅（断面積）に関係していることを指摘することができるようになり， より科学的な概念を形成することができるだろう。 （４）評価規準（観点）・基準 評価規準 評価基準 物質の抵抗値は，物質の長さと幅 （断面積）に関係していることを指 摘することができる。 （科学的な思考・表現） Ａ オーブントースターの発熱体に切れ込みが入っている理由 を，グラファイトシートの抵抗値は，長さが長く幅が小さい ほど大きくなることと関連付けながら説明している。 Ｂ グラファイトシートの抵抗の大きさは，長さが長いほど大 きくなり，幅が小さいほど大きくなることを指摘している。 （５）準備 放電記録紙（幅15ｍｍ），目玉クリップ，電源装置，電流計，導線，はさみ，定規

4 （６）指導過程 段 階 主な学習活動・内容 主題に迫るための手立て 形 態 配 時 導 入 １ グラファイトシートに電圧を加 えたときのようすを観察し，本時 のめあてを確認する。 ・グラファイトシート 〇 本時の学習内容に興味・関心をもたせるた めに，長さを長く，幅を細くしたグラファイ トシートに電圧を加えると，赤く光るようす を演示実験で見せる。 全 7 展 開 ２ グラファイトシートの長さや幅 を変えると，抵抗の大きさはどう 変わるか予想し，調べる。 ・長さを長くすると，抵抗を直列 につなぐときと同様に，抵抗は 大きくなるだろう。 ・抵抗を並列につないだときと同 様に，幅を細くすると，抵抗は大 きくなるだろう。 ３ 調べた結果を考察し，細長いグ ラファイトシートの抵抗の大きさ を説明する。 ・長さが長いほど，グラファイト シートの抵抗は大きくなる。 ・幅が小さいほど，グラファイト シートの抵抗は大きくなる。 ・発熱体の切れこみの理由 ○ 根拠のある予想を立てさせるために，前時 に学習した内容と関連付け，なぜそう予想し たのかを説明するよう指示する。 ○ 物質の抵抗は何に関係しているか調べさせ るために，実際の発熱体と形状や性質が似て いる放電記録紙を使って調べさせる。 ○ 実験に主体的に取り組ませるために，放電 記録紙の長さや幅は，一定の範囲で自由に変 えて実験するよう指示する。 ○ 長さと抵抗の関係，幅と抵抗の関係を正し く指摘させるために，結果を整理した表から 分かることは何か問う。 ○ グラファイトシートと抵抗の関係を捉えさ せるために，冒頭で提示した２種類のグラフ ァイトシートの抵抗の大きさについて問う。 ○ 学習内容を日常生活と関連付けて捉えさせ るために，実物の発熱体の画像を提示し，発 熱体に切れ込みが入っている理由を問う。 個 ↓ 班 ↓ 全 個 ↓ 班 ↓ 全 25 10 ま と め ４ 本時の学習を振り返り，物質の 抵抗値が何によって変わるか確認 する。 ・電熱線の場合 〇 電熱線の場合は幅ではなく，断面積として 考えることを補足する。 〇 本時の学習内容を捉えさせるために，個人 で振り返った内容を発表させ，本時のまとめ を行う。 全 8 めあて 実験を通して，グラファイトシートの長さや幅を変えると，抵抗の大きさは どう変わるか明らかにしよう。 まとめ 物質の抵抗は，長さが大きいほど大きくなる。 幅（断面積）が小さいほど大きくなる。

5 【資料１】Ａ社 オーブントースターの電熱線の形状 【資料２】Ｂ社 オーブントースターの電熱線の形状 【資料３】予備実験結果 ＜長さと抵抗値の関係＞ 幅1.5cm 長さ〔cm〕 5 10 15 20 25 30 電圧〔Ｖ〕 2.6 2.7 2.7 2.6 2.7 2.7 電流〔mA〕 152 93 63 45 39 33 抵抗〔Ω〕 17 29 43 58 69 82 ＜幅と抵抗値の関係＞ 長さ10cm 幅〔cm〕 0.5 1.0 1.5 電圧〔Ｖ〕 2.7 2.7 2.7 電流〔mA〕 33 70 100 抵抗〔Ω〕 82 39 27 オーブントースターの電熱線の形状の図 オーブントースターの電熱線の形状の詳しい図

6 【資料４】発熱体を開発した「株式会社千石」に問い合わせた内容 問い合わせたところ，経営企画課の方から次のような回答を得られた。 Ｑ：切れ込みは抵抗を大きくするためなのか。 Ａ：切れ込みは，抵抗を大きくするためである。発熱体に使われている物質は，ポリイミドとよばれるも のでできたグラファイトシートである。人工衛星「はやぶさ」の表面にオレンジ色のシートがあると 思うが，それと同様のものである。グラファイトシートは，抵抗を入れることで熱が発生する。 Ｑ：切れ込みを入れなかったら，どうなるのか。 Ａ：入れなかったら発熱しない。実際に，発熱体の中央部分には切れ込みを入れていない。発熱体の温度 は１３００℃を超えるため，中央部分も切れ込みを入れると，庫内中央部分のパンがこげてしまう。 庫内の温度を均一にするために，あえて中央部分は切れ込みを入れていない。同様の理由で，発熱体 を本体部分とつないでいる両端部分も切れ込みを入れていない。もし，入れてしまうと，焼き切れて 消耗が早くなってしまう。 Ｑ：発熱体の抵抗値はどれくらいか。 Ａ：技術部に問い合わせないと分からない。こちらではお答えできない。 Ｑ：他の素材ではだめだったのか。 Ａ：グラファイトシートは，部分的に発熱させたり，発熱具合を切れ込みによって自由自在にコントロー ルしたりできるのが強み。これは他の素材にはない特徴である。