理科教育研究Ⅱ ４班：電流とその利用（静電気と電流除く） 252312 塩崎龍一 252322 古本沙耶香 252323 三角真 252326 吉田周作 242308 宮先鋒科学用語回路電流導線直列つなぎ直列回路並列つなぎ並列回路電圧オームの法則電気抵抗導体絶縁体半導体超伝導エネルギー電気エネルギ－電力電力量電気が流れる道すじ回路を流れる電気単位はアンペア,１Ａ＝1000ｍＡ,記号はＩ電流を流すために使われる金属の線回路をつくるときに,電流の流れ道すじが一つの輪になるつなぎ方直列つなぎの回路回路をつくるときに,電流の流れ道すじが途中でわかれるつなぎ方並列つなぎの回路電流を流すはたらきの大小を表す量,単位はボルト,記号はＶ流れる電流Ｉは電圧Ｖに比例するという関係電流の流れにくさ電流が流れる物質電流が流れない物質電気を通す導体と電気を通さない絶縁体の中間の性質をもつ物質超低温である金属の抵抗の大きさが０になる現象電気がもっているようないろいろな働きをする能力電気がもつエネルギー 1秒あたりに使う電気エネルギーの量(単位はＷ)。1Vを加え,1Aの電流を流したときに使われた電力が１W 電力と時間の積単位はジュール(Ｊ) ，そのほかワット秒(Ｗｓ)，ワット時(Ｗｈ)なども使われる電力量について • 電力・・・１秒あたりに使う電気エネルギーの量。 • 電力量・・・（ある時間電流を流した時の），電気回路において電気がする仕事。または電気によるエネルギーの総量。（電力×時間）教科書には電力量については電力と時間の積としか記載されていない。電力電力量電気エネルギー電流によって熱エネルギーが発生する電気エネルギーがすべて熱エネルギーに変わったとすると, 電力量＝電気エネルギー＝熱エネルギーとなる。したがって,熱エネルギーによって、水の上昇温度がわかる。単位はすべてジュール (記号Ｊ）である。学びのストーリー小学校までの既習事項小学校三年生「電流の通り道」 • 電流を通す繋ぎ方と通さない繋ぎ方があること。 • 電気を通すものと通さないものがあること。 • 乾電池に豆電球などを繋ぎ，電気を通す繋ぎ方や電気を通すものを調べ，電機の回路についての考えを持つことができるようにする。小学校四年生「電気の働き」 • 乾電池の数や繋ぎ方を変えると，豆電球の明るさやモーターの回り方が変わること。 • 光電池を使ってモーターを回すことなどができること。 • 乾電池や光電池に豆電球やモーターなどを繋ぎ，乾電池や光電池の働きを調べ，電気の働きについての考えを持つことができるようにする。小学校五年生「電流の働き」・電流の流れているコイルは，鉄心を磁化する働きがあり，電流の向きが変わると，電磁石の極が変わること。・電磁石の強さは，電流の強さや導線の巻数によって変わること。電磁石の導線に電流を流し，電磁石の強さの変化を調べ，電流の働きについての考えをもつことができるようにする。小学校六年生「電気の利用」・電気は，つくりだしたり蓄えたりすることができること。・電気は光，音，熱などに変えることができること。・電熱線の発熱は，その太さによって変わること。・身の回りには，電気の性質や働きを利用した道具があること。手回し発電機などを使い，電気の利用の仕方を調べ，電気の性質や働きについての考えを持つことができるようにする。教科書比較大日本図書東京書籍教育出版・啓林館回路と電流の向き直列・並列回路の紹介電流の大きさ直列・並列回路における電流電圧の大きさ直列・並列回路における電圧オームの法則学校図書大日本図書東京書籍教育出版・啓林館合成抵抗の大きさ物質の種類と抵抗物質の種類と抵抗合成抵抗の大きさ電力の大きさ熱量の大きさ電力量の大きさ電気エネルギーと環境学校図書学びのストーリーにおける教科書比較５社の教科書を比較してみたところ明確な違いとして３点があげられた。「学校図書と他４社の違い」回路と電流の向きの後に直列回路、並列回路の記述が他４社にあるが学校図書では直列回路、並列回路の記述がなく電流の大きさの後に直接、直列回路、並列回路における電流に入っている「東京書籍と他４社の違い」物質の種類と抵抗と合成抵抗の大きさの順序が東京書籍では他４社とくらべると逆になっている「東京書籍・大日本図書と他３社の違い」東京書籍・大日本図書では単元の最後に電気エネルギーと環境についての記述があるが他３社では記述がない５社の教科書比較から考える学びのストーリー回路と電流の向き直列・並列回路の紹介電流の大きさ直列・並列回路における電流電圧の大きさ直列・並列回路における電圧オームの法則物質の種類と抵抗合成抵抗の大きさ電力の大きさ熱量の大きさ電力量の大きさ電気エネルギーと環境実験①豆電球に流れる電流の大きさを調べよう。 Q.豆電球に流れ込む時と出る時で，電流の大きさは変わるのだろうか？ • 方法： ①豆電球に流れ込む電流I １をはかる。 ②豆電球から流れ出る電流I2をはかる。 • 結果：I1とI2が等しいことがわかる。予備実験①の成果 • 予備実験の成果：豆電球の前と後で電流が変わることなく，全く変わらない値を示した。 • 考察：これらのことから，あまり時間をかけないで良い実験であることがわかる。アンケートなどの事前の調査を行い，豆電球の前後での電流の大きさの生徒の認識によって進め方を変えると良いと考える。 • 電流計を同時に２つつないで演示しても良いと思われる。どちらも0.4Aを示している。実験②直列回路や並列回路を流れる電流を調べよう。 Q.直列回路と並列回路では，電流の流れ方にどのような違いがあるのだろうか？ • 方法：＜並列回路＞ ①並列回路を作る。 ①直列回路をつくる。 ②電球abの分岐前の電流I1をはかる。 ②電球abに流れ込む電流I1をはかる。 ③電球aに入り込む電流I2をはかる。 ③電球aとbの間の電流I2をはかる。 ④電球bに入り込む電流I3をはかる。 ④電球abからながれでる電流I3をはかる。 ⑤電球abの分岐がつながったあとの電流I4 をはかる。＜直列回路＞ • 結果：直列ではI1＝I2＝I3，並列ではI1＝I2+I3＝I4となる。実験③回路のいろいろな区間の電圧を調べよう。 Q.電圧の大きさは，回路のいろいろな区間では，どのようになっているだろうか？ • 方法：＜直列回路＞＜並列回路＞ ①回路を作る。 ①回路を作る。 ②豆電球abの両端の電圧V１をはかる。 ②豆電球abの両端の電圧V1をはかる。 ③ab間とaの手前との電圧V2をはかる。 ③aの両端の電圧V2をはかる。 ④ab間とbの後の電圧V3をはかる。 ④bの両端の電圧V3をはかる。 ⑤電源の両端のV4をはかる。 ⑤電源の両端の電圧V4をはかる。 • 結果：直列回路V1＝V2+V3＝V4，並列回路V1=V2=V3=V4 予備実験②③の成果考察： • 実験②③は，かなり精度よく行える実験である。これらの実験は，セットにして考えることが望ましい単元であると考える。これらの実験を通して，電流や電圧に対して，水のモデルなどを使った考え方を利用して理解させることができる実験だと考える。 • 回路づくりをしやすいように配置を工夫したり導線の色を区別したりしても良い。 • 実験では異なる電圧の電球を用いる。これは並列回路での電流の差を生み，直列回路での電圧の差を生む。 • 電源装置で実験をする場合，班ごとに回路に働く電圧の差が生じにくいが，電圧をかけすぎて電球を切らすことがある。電池の電圧の誤差は0.1ボルトほどであったため，班ごとの実験値の差は小さい。新品の電池を用いると良い。実験④電熱線にかかる電圧を変えて電流の変化を調べよう。 Q.電熱線にかかる電圧を変えると電流の大きさはどのように変化するだろうか？ • 方法： ①回路を組み立てる。 ②電熱線aにかかる電圧Vを変えて電流Iをはかる。 ③電熱線bにかかる電圧Vを変えて電流Iをはかる。結果ニクロム線 300 300W 33Ω 0mA 30mA 60mA 93mA 125mA 157mA 500W 18Ω 0mA 55mA 110mA 165mA 220mA 275mA 250 200 電流 150 (mA) ニクロム線 0V 1V 2V 3V 4V 5V 33Ω 18Ω 100 50 0 0 1 2 3 電圧(V) 4 5 6 結果セメント抵抗 600 500 400 電流 300 (mA) 10Ω 20Ω 200 30Ω 100 0 0 1 2 3 電圧(V) 4 5 6 予備実験④の成果考察： • ここでは電流は電圧に比例するということを念頭において行う。精度はかなり良いが，新しい抵抗と古い抵抗を混ぜると正確な値が出ないときがある。また，リード線などによっても変わる可能性を疑って予備実験に望むと良い。 • 電源装置や，電流計，電圧計などを同時に使う初めての実験になるので，それによって違いが出ないか，電流計や電圧計が壊れていないかなど調べる必要がある。 • 最終的に，どのようにして比例のグラフまで持っていくかも考える必要がある。 • ニクロム線もセメント抵抗も10Vかけると30秒弱で著しい熱を発するため，2V間隔での実験より1V間隔の実験の方が，安全性が高い。実験⑤：電圧を変えたときの水の温度変化を調べよう。 Q.電熱線によって上昇する水の温度は電力や時間とどのような関係があるのだろうか？ • 方法： ①装置を組み立てて発泡ポリスチレンのコップに水１００gをいれ、しばらく経ってから水温をはかる。 ②電圧を一定にして電流を流す。 ③一分ごとに電圧と電流の大きさが変化しないことを確認し、水をゆっくりかき混ぜながら、一分ごとに水の温度をはかる。５分後に電流を止める。実験⑤：電圧を変えたときの水の温度変化を調べよう。 • 結果： ①電力が一定の場合，水の上昇した温度は，電熱線に電流を流した時間に比例する。 ②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。 ③電流を流した時間が一定の場合，水の温度上昇，つまり電熱線の発熱量は電力の大きさに比例する。蒸留水(100g) 6Ω A V 0 1 2 3 4 5 計 ℃ 0.45 3 20.0 20.0 21.0 21.1 21.2 21.5 1.5 0.65 4 21.0 21.5 22.1 22.7 23.1 23.5 2.5 0.85 5 21.0 21.0 22.0 22.7 23.0 23.7 2.7 4Ω 0.98 6 20.0 20.0 21.8 22.5 23.1 24.0 4.0 理論値 6Ω A V ℃ 60 120 180 240 300 0.50 3 0.21 0.43 0.64 0.86 1.07 0.52 3 20.7 21.0 21.1 21.7 22.0 22.1 1.4 0.61 4 21.0 21.1 22.0 22.3 23.0 23.5 2.5 A V 1.00 6 20.0 21.0 22.1 23.5 24.1 25.5 5.5 ℃ 0 1 2 3 4 5 計 1.4 6 20.8 21.9 24.0 25.1 27.0 28.1 7.3 1.25 5 0.89 1.79 2.68 3.57 4.46 1.5 6 1.29 2.57 3.86 5.14 6.43 4Ω 0.67 4 0.38 0.76 1.14 1.52 1.90 0.83 5 0.60 1.19 1.79 2.38 2.98 1.00 6 0.86 1.71 2.57 3.43 4.29 A V ℃ 60 120 180 240 300 0.75 3 0.32 0.64 0.96 1.29 1.61 1 4 0.57 1.14 1.71 2.29 2.86 水道水(100g) 6Ω A V 0 1 2 3 4 5 ℃ 計 0.50 3 22.5 23.0 23.1 23.5 24.0 24.1 1.6 0.63 4 23.0 23.2 23.5 24.0 24.2 24.7 1.7 0.81 5 22.5 23.0 23.9 24.8 25.5 26.0 3.5 1.00 6 22.0 23.0 24.1 25.0 26.1 27.2 5.2 A V ℃ 0.45 3 20.0 20.0 21.0 21.1 21.2 21.5 1.5 0 1 2 3 4 5 計 0.65 4 21.0 21.5 22.1 22.7 23.1 23.5 2.5 0.85 5 21.0 21.0 22.0 22.7 23.0 23.7 2.7 0.98 6 20.0 20.0 21.8 22.5 23.1 24.0 4.0 0.52 3 20.7 21.0 21.1 21.7 22.0 22.1 1.4 0.61 4 21.0 21.1 22.0 22.3 23.0 23.5 2.5 1.00 6 20.0 21.0 22.1 23.5 24.1 25.5 5.5 理論値 A V ℃ 60 120 180 240 300 0.50 3 0.21 0.43 0.64 0.86 1.07 0.67 4 0.38 0.76 1.14 1.52 1.90 0.83 5 0.60 1.19 1.79 2.38 2.98 1.00 6 0.86 1.71 2.57 3.43 4.29 装置を使う蒸留水(100g) 6Ω 理論値 6Ω A V ℃ 0 1 2 3 4 5 計 1.00 6 20.6 21.0 22.0 23.1 24.0 24.8 4.2 4Ω 1.4 6 21.8 22.5 24.0 25.1 26.6 27.9 6.1 理論値より低い！ A V 60 120 180 240 300 ℃ 0.50 3 0.21 0.43 0.64 0.86 1.07 0.67 4 0.38 0.76 1.14 1.52 1.90 0.83 5 0.60 1.19 1.79 2.38 2.98 1.00 6 0.86 1.71 2.57 3.43 4.29 1 4 0.57 1.14 1.71 2.29 2.86 1.25 5 0.89 1.79 2.68 3.57 4.46 1.5 6 1.29 2.57 3.86 5.14 6.43 4Ω 理論値 A V ℃ 60 120 180 240 300 0.75 3 0.32 0.64 0.96 1.29 1.61 コップ3個コップを３つ重ねる蒸留水(100g) 4Ω A V 0 1 2 3 4 5 計 ℃ コップ1個 1.4 6 21.1 22 24 25 27 28 6.9 A V ℃ 0 1 2 3 4 5 計 1.4 6 20.8 21.9 24.0 25.1 27.0 28.1 7.3 少し理論値に近づいた！理論値 A V ℃ 60 120 180 240 300 0.75 3 0.32 0.64 0.96 1.29 1.61 1 4 0.57 1.14 1.71 2.29 2.86 1.25 5 0.89 1.79 2.68 3.57 4.46 1.5 6 1.29 2.57 3.86 5.14 6.43 混ぜるだけ蒸留水(100ｇ) A V ℃ 0 1 2 3 4 5 計 20.5 20.8 20.9 21.0 21.0 21.0 0.5 ただ混ぜるだけで水温が上昇した！混ぜてから実験（蒸留水100ｇ） 4Ω A V ℃ 0 1 2 3(0) 4(1) 5(2) 6(3) 7(4) 8(5) 計 1.4 6 21.0 22.8 22.8 22.8 23.8 25.0 26.2 28.0 29.5 6.7 混ぜてないとき混ぜただけで1.8℃ A V 上昇している！ 0 1 2 ℃ 3 4 5 混ぜないときと比べ，計温度の上昇は低くなった。 1.4 6 20.8 21.9 24.0 25.1 27.0 28.1 7.3 予備実験⑤の成果考察：実験の中ではこれが最も難しいものであると考える。 • この実験において，上昇温度の理論値を計算した上で実験を行った。そうすると，実験結果を大きく上回る結果と大きく下回る結果が出た。下回る結果については，熱が外に逃げたことによって説明することができる。大きく上回ったものについては，理由がよく分からず，ほかの文献地を調べても上回る数値は見られない。 • 私たちが考える理由としては，混ぜた時の温度上昇によるものだと考えた。実際に混ぜるだけの時では，温度上昇があったが，それを考慮しても理論値を大幅に上回っている。理由はわからないが，コップを二重にして断熱の精度を上げると，より精度の高い実験結果が得られることがわかった。さらに装置を用いると理論値を下回る結果が出た。(装置の周りにも発泡スチロールがつめてある。） • 生徒に装置を組み立てさせるとき，理解度が低いと時間がかかる可能性がある。 • 実験後の水は30分以上かかっても室温へは戻らないため，予備に何個か室温の水を準備しておく必要がある。