8 電気とそのエネルギー 3 章 電流とその利用! 電流のはたらきと電気器具 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 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 けいこうとう 3 光を発生させる電気器具電球, 蛍光灯, 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 そうじきせんたくきせんぷうき 5 物体を運動させる電気器具掃除機, 洗濯機, 扇風機, 電車など 多くの器具の中にはモーターがある / 電流のはたらきとその利用 電気ポット電気熱 電気 動 - - + + 発 イオー 電気 ステレオ電気 " 電力と熱量 電力電気器具が 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 電力の単位 W ワット,k キロ W ワットを使う kw=000w 電力を求める式電力 P W は, 電圧 と電流 I の積で求められる 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 電力 W = 電圧 電流 P= I 3Wとは電気器具にの電圧を加えて, 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 00-000W は,00の電圧で使用したとき, その電気器具が消費する電力は000W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0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 54 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00の電圧が加わる / 電力による電気器具のはたらき 00W 用 60W 用 40W 用 コンント 電気器具に流れる電流の強さは, 00W 用 00 W 00 = 60W 用 60 W 00 =0.6 40W 用 40 W 00 =0.4 全体の消費電力は, 00+60+40=00 W
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ジュール J,W ワット秒 s,w ワット時 h,k キロ W ワット時 h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 J とは W の電力を 秒間使用したときの電力量 J=Ws 電力量 Wh = 電力 W 時間 h Wh とは W の電力を 時間使用したときの電力量 000Wh=kWh 3 熱量電熱線で発生する熱の量 ( 熱量 ) は, 電熱線 8 電気とそのエネルギー で消費した電力量と同じである 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 Jとは Wの電力で, 電熱線に 秒間電流を流したときに発生する熱量 じょうしょう カロリー (cal) 日常生活で使われる熱量の単位 calは, 水 gの温度を 上昇させる のに必要な熱量であり,J= 約 0.4cal,cal= 約 4.J の関係がある 4 熱量と水の温度上昇 gの水の温度を 上 Jはgの水の温度を0.4 上昇させるのに必要な熱量であるので,gの水の温度を昇させるには約 4.Jの熱量が必要である 一定量 上昇させるのに必要な熱量は, の水の上昇温度からも, 電熱線から水が得た熱量 J 0.4 を知ることができる = 約 4. J 熱量 J =4. 水の質量 g 水の上昇温度 電熱線の発熱と電力, 電力量 6-6W,6-9W,6-8Wの電熱線を用いて, 図のような回路をつくり, 電熱線に6.0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 時間 分 3 4 5 水の上 6 W 0.8.6.4 3. 4.0 昇温度 9 W..5 3.6 4.7 6.0 8 W.4 4.8 7. 9.4.0 5 分間の電力量 6W 6 W 300 s =800 J 9W 9 W 300 s =700 J 8W 8 W 300 s =5400 J 温度計 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 はっぽう 発 ポリスチレンのカッ 電熱線 電源装置 - + 電流計 温によ て, 水は たた るので, 水温が 温と同じくらいになる で 置した水を使う 時間と上昇温度 5 8W 電力と5 分 の上昇温度 5 電力量と上昇温度 5 0 5 9W 6W 0 5 電力 W 0 5 電力量 0 0 3 4 5 時間 分 水の上昇温度は, 電流を流す時間に比 する 0 0 6 8 水の上昇温度は, 電力に比 する 0 0 800 3600 5400 水の上昇温度は, 電力量に比 する 55 " ⑷ P86 研究 3
3 章電流とその利用 習くうらん [ 電流のはたらきと電気器具 ] 次の文の空欄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 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 ラジオ ( ) 電気ストーブ ( ) 3 そうじき ( 掃除機 練習問題 すいぎんとう ) 4 水銀灯 ( ) [ 電力と熱量 ] 3 電気器具が 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 の電圧を加え, 何 の電流が流れたときの電力がWか ( ) 6 次の空欄にあてはまることばや単位は何か 電力 =( ) ( ) 7 豆電球に3の電圧を加えたところ,.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 00 600W と表示されている電気器具を家庭用の00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 か 電力 ( ) 電流 ( ) 9 消費電力が 00 50W と 00 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 JはWの電力を何秒使ったときの電力量か ( ) e kwhは何 Whか ( ) r 電熱線に00の電圧を加えたところ,0の電流が流れた 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 Wの電力で 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 cal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. 水の ( ) g 水の ( ) o じょうしょう電熱線に電流を数分間流したところ,00gの水の温度が.5 上昇した このとき, 水 が得た熱量は何 Jか ( ) 56
8 電気とそのエネルギー 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 4Ωの電熱線を0 の水 300gの中に入れて,4の電圧を5 5 の答え 分間加えたところ, 水の温度が50 になった この電熱線の電力は何 Wか 5 分間に水が得た熱量は何 Jか 図は4 本の電熱線 R ~ R 4 の電圧 と電流の関係を表したものである 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 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 電流 電力 じょうしょう 6 電力と水の上昇温度 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 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 電熱線を抵抗が4Ωのものにかえ, 電熱線に加える電圧を6.0にして, スイッチを入れた 実験 で, 電熱線に加える 電圧.0 4.0 6.0 6 の答え 電圧を変えたときの電力はそくうらんれぞれ何 Wか 表の空欄に記 電流.0.0 3.0 表に書く 入しなさい 電力 W 電力 上昇温度 0.8 3. 7. から, 電圧が 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 で, 電圧を8.0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 上昇温度 3 4 4 実験 で, 水の温度は3 分間で何 上昇すると考えられるか 5 電熱線 次のア エから選び, 記号で答えなさい ア. イ.4 ウ 3.6 エ 4.8 水 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 J=0.4calとして計算しなさい 59
3 章電流とその利用 7 熱量の公式の利用 z 0 の水 00g の中に電熱線を入れた この電熱線にの電圧を加え,8 の電流を 分間流した このとき, 水じょうしょうの温度は何 上昇するか x 8 0 s =060 J 水の上昇温度を x とすると, 060 J =4. 00 g x x=4 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 水が得た熱量 J =4. 水の質量 g 水の上昇温度 =のとき, 電力 W 時間 s 水の上昇温度 = 4. 水の質量 g 0 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9 になった このときの電熱線の電力は何 Wか ( ) 50Wの電熱線を0 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 位を四捨五入して, 整数で答えなさい ( ) 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 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 ていこうのほうが電熱線全体の抵抗が小さいので, 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 電熱線, を並列 直列につないで, 量のくみ置きの水がた 器にれ, 電源の電圧の大きさを じにして,5 の水の上昇温度を た はっ ぽう 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 6 300 s =800 J 図 Ⅱ 6 0.4 300 s =43 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 ) 直列つなぎ 発熱量は, 並列つなぎ 発熱量は, 電圧に比例し, 各抵抗 電流に比例し, 各抵抗 の大きさに比例する の大きさに反比例する 発熱量 Q 5,Q 0 は, 発熱量 Q 5,Q 0 は, Q 5 :Q 0 =3: Q 5 : Q 0 =:3 図で, 電熱線 aの抵抗を0ω, 電熱線 bの抵抗を0ω,x,yの電源装置の電圧を6 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 ( ) 60
8 電気とそのエネルギー 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 00g を入れた 電熱線 X, 電熱 線 Yを用いて図 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 ) 電源装置の電圧.0 4.0 6.0 8.0 電熱線 X 0.5.9 4.3 7.6 水の上昇温度 電熱線 Y.4 5.7.9.9 図 の回路を, 電熱線 Xを用いてつくり, 電源装置の電圧を 8.0にして電流を流したとき, 電熱線 Xを流れる電流は何 か ただし, 水 gの温度を 上昇させるのに必要な熱量を4. Jとする 図 の電熱線 Xを, 図 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6にすると,5 分間の水の上昇温度は何 になるか の答え 種類の電熱線と容器 ~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Ωの 電熱線を用意し, 容器 と Cには4Ωの電熱線を, 容器 BとDにはΩの電熱線 をとりつけた これらの容器に8.0 の水を00g ずつ入れ, 電熱線を水の中に入 れて, 図,のように配線した 電源装置の電圧を 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 電熱線に流れる電流がもっとも強いのは容器 ~Dのどれか の答え 記号で答えなさい 図,の回路に電流を同じ時間流したあと, 容器 の水の温度は5. であった このとき, 容器 Dの水の温度は何 か 6
ていこう 図 のような回路をつくり, 抵抗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 電圧 0 3 5 0 電流 m 0 60 40 400 800 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 アイウエオ 0.4 0.8 800 400 800 電 0.3 電 0.6 電 400 電 300 電 600 流 0. 流 0.4 流 40 流 00 流 400 0. 0. m 60 m 00 m 00 0 0 3 4 5 0 0 3 4 5 0 0 3 4 5 0 0 4 6 8 0 0 0 4 6 8 0 電圧 電圧 電圧 電圧 電圧 抵抗器の抵抗は何 Ωか 3 図 の抵抗器と同じ抵抗器をつ使っ図 図 3 c c て, 図,3 の回路をつくった 図,, 3 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 a a をそれぞれ I, I, 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 図 (8 点 3) 3 a c 次の実験について, あとの問いに答えなさい 実験 図 のように, 豆電球と抵抗器を 図 図 電源装置 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 D 実験 図 のように, 実験 と同じ豆電 球と抵抗器を並列につなぎ, 実験 と同様 C B の実験を行った 結果 表は, 実験 との結果の一部である 抵抗器 電流計 - + 電流計 電源装置の電圧 豆電球に加わる電圧 豆電球に流れる電流 実験 5.5.5 0.30 実験.5.5 0.30 6
3 章電流とその利用 /5 8 たんし 図 の回路で, 豆電球に加わる電圧を測定するには, 電圧計の+ 端子と 端子をどこにつなげばよいか 図の Dからそれぞれ選び, 記号で答えなさい 実験,の結果から, 豆電球の抵抗は何 Ωか 四捨五入して小数第 位まで求めなさい 3 図 の回路で, 電源装置の電圧が.5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 せいぎょ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御することができる 図 の回路において, 電源装置の電圧が0.0のとき, 豆電球に加わる電圧を.5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 (8 点 5) + 端子 端子 3 4 3 電流による発熱を調べるために, 図のような, 5 の水をそれぞれ00g,00g 入れた容器 X, Yに, 抵抗がそれぞれ0Ω,5Ωの電熱線 R, R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 R を流れる電流の強さは.0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じょうしょう上昇に使われ, 容器は外部と熱の出入りをしないものとする 電熱線 Rを流れる電流の強さは何 か 電熱線 R,R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5 になった ただし, 水 gの温度を 上昇させるのに必要な熱量は4.Jで, 水の上昇温度は水の質量に反比例するものとする この間に容器 Xの水が得た熱量は何 Jか 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5 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) R R 3 3 63
3 章電流とその利用 比熱 熱量と物質の温度の変化じょうしょう比熱 gの物質の温度を だけ上昇させるのに必要あたいな熱量 物質によって値が決まっている 比熱 c の物質 m g の温度を T だけ上昇させるの に必要な熱量 Q J は, 熱量 Q J = 比熱 c 質量 m g 上昇温度 T 電熱線で加熱する水の質量が一定のとき, 一定時間の 水の温度上昇は, 電熱線からの発熱量に比例する 電熱線から水が得た熱量が一定のとき, 水の上昇温度 は水の質量に反比例する 3 物質の質量と得た熱量が一定のとき, 物質の上昇温度は比熱に反比例する 物質比熱液体海水 4.0 水 4. 氷.0 ナタネ油.0 アルミニウム 0.88 鉄 0.44 銅 0.38 キルヒホッフの法則 第 法則回路中のどの導線の交点でも, 流れこむ電流の総和は流れ出す電流の総和に等しい I + I + I3= I4 + I5 第 法則回路中のどのひと回りする閉じた経路でも, 各抵抗に加わる電圧の総和は電源の電圧に等しい R I +R I+R3 I3= I R I I 3 I I 5 P I 4 R R3 I 3 I I I 3 I 3 R R 3 R I R 3 R R I I 電源の電圧の大きさは水路に水を 上 る 大の さ, 抵抗に加わる電圧の大きさは水が する さを す さに がなけれ, つなが ていると で 水は流れない 例題 キルヒホッフの法則を用いた連立方程式の利用 z 図の回路で, 電源の電圧が5, 電 路流計の示度が0.5のとき, 電熱線 Rの 路 抵抗の大きさと流れる電流の強さを求めなさい 35Ω x Rの抵抗をR Ω,R に流れる電流をx 5Ω とすると, 第 法則より, (35+5)(0.5 x)+5 0.5=5 5Ω Ω (R+)x+5 0.5=5 見通しがすぐにたてば, 部この連立方程式を解いて, 分の抵抗を合成し, 回路を x=0.375,r=8 Ω 簡単にして考えてもよい 未知数の数だけ方程式をつくる必要がある 複雑な回路で, 一部の電流の向きがわからなくても, 適当に決めて方程式をつくればよい 解が負の値になれば, 逆向きであったとわかる 86
3 章電流とその利用 図 のような装置を用いて,86g の水を電熱線で実験 ~4 のように熱したときの水の 上昇温度を調べた 図 は, その結果である あとの問いに答えなさい ( 東京学芸大附 改 ) 実験 電圧 30で電流 を流した 実験 電圧 30で電流 4を流した 実験 3 電圧 0で電流.5を流した しず 実験 4 水の中に800gのある金属を沈め てから電圧 30で電流 を流した 実験 の結果はどれか 図 のa~dから選び, 番号で答えなさい 実験 4のある金属 gを 上昇させるのに必要な熱量は何 J か 水 gを 上昇させるのに必要な熱量を4.Jとして, 四捨五入して小数第 位まで答えなさい ただし, 電熱線で発生した熱量はすべて物質の上昇温度に使われたものとする の答え 次の問いに答えなさい 図 の回路の抵抗を流れる電流や加わる電圧について答えなさい ( 青雲 改 ) もっとも弱い電流が流れる抵抗を ~Dから選び, 記号で答えなさい 抵抗 ~Dに加わる電圧の大きさを, もっとも簡単な整数比で答えなさい 図 で,B 間のΩの抵抗には,3 の電流が流れている ( ラ サール ) DE 間の6Ωの抵抗に流れる電流は何 か BC 間の7Ωの抵抗に流れる電流は何 か 3 電源の電圧は何 か 3 図 3の回路について答えなさい ( 愛光 ) を流れる電流は何 か BC 間を流れる電流の向きは,B C, C Bのどちらか 3 BC 間を流れる電流は何 か 88 の答え :B:C:D 3 3 3