電気に関する問題

電圧および豆電球に関する説明を読み、後の問に答えなさい。

 電圧とは
 乾電池などが電流を流すはたらきの大きさを電圧といいます。乾電池1個の電圧は1.5V(ボルト)で、これを2個直列につないだときの電圧は3V、3個つないだときの電圧は4.5Vと、電池の数に比例して大きくなります(図1a~c)。豆電球を光らせるとき、直列につなぐ乾電池の数が多いほど明るくなるのは、豆電球にかかる電圧が大きくなるためです。

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 乾電池2個を直列につなぎ、ここに同じ豆電球2個を直列にしてつなぐ(図2a)と、1個の豆電球の明るさは、図laの場合と同じになります。これは、豆電球1個あたりにかかる電圧がどちらも1.5Vになるためです。これに対して、乾電池2個を直列につなぎ、ここに同じ豆電球2個を並列につなぐ(図2b)と、図1bの場合と同じ明るさになります。これは豆電球1個あたりにかかる電圧が、どちらも3Vになるためです。
 なお、後の実験では乾電池を使わず、電源装置を使います。電源装置には、乾電池のように電流を流すはたらきがありますが、乾電池と違い、つまみを回すことによって、電圧の値を1.1V、3.7Vなど、自由に決めることができます。

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 豆電球について
 豆電球の光る部分をフィラメントといいます(図3)。豆電球にかかる電圧が小さいときには、フィラメントに流れる電流が小さく、フィラメントの温度が低いため光りません。豆電球にかかる電圧を大きくしていくと、フィラメントの温度が上がって、光るようになります。しかし、豆電球にかかる電圧が大きくなりすぎると、フィラメントの温度が上がりすぎ、とけてしまうので、電流が流れなくなってしまいます。豆電球が「切れてしまう」わけです。

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 さて、豆電球にはいろいろな種類のものがあります。ここでは次のような2種類の豆電球(豆電球①、豆電球②とします)を使った実験について考えます。
豆電球①:電圧が2V以上で光り、10Vをこえると、切れてしまいます。
豆電球②:電圧が1V以上で光り、5Vをこえると切れてしまいます。

 それぞれの豆電球について、かけた電圧と流れる電流の大きさの関係をグラフにすると、図4のようになります。
 豆電球①と豆電球②をそれぞれ数個ずつ、および電源装置1台を用意して、いくつかの実験を行いました。これらに関する以下の各問に答えなさい。

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(1)「豆電球①を2個直列にして電源装置につなぎました。
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(あ)これらの豆電球が光るのは、電源装置の電圧が何V以上のときですか。
(い)これらの豆電球が切れずに最も明るく光るのは、電源装置の電圧が何Vのときですか。

(2)豆電球①と豆電球②を並列につないで、豆電球①に流れる電流が0.4Aになるようにしました。このとき、豆電球②に流れる電流は何Aですか。

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(3)豆電球①と豆電球②を並列につないで、2つの豆電球に流れる電流の合計が0.8Aになるようにしました。このとき、電源装置の電圧は何Vですか。
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(4)豆電球①と豆電球②を直列にして、電源装置につなぎました。

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 (あ)各豆電球に流れる電流が0.5Aのとき、電源装置の電圧は何Vですか。
 (い)電源装置の電圧が6Vのとき、各豆電球に流れる電流は何Aですか。

(5)豆電球①を2個と、豆電球②を3個、図のように電源装置につなぎました。

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 (あ)電源装置の電圧を0Vから次第に大きくしていったところ、ある値になったとき、一方の豆電球が光り、他方の豆電球が光りませんでした。このとき、光ったのはどちらの豆電球ですか。①または②で答えなさい。また、このときの電圧は何Vですか。
(い)電源装匿の電圧をさらに大きくしていくと、ある値になったとき、もう一方の豆電球も光りました。この値は何Vですか。
(う)電源装置の電圧をさらに大きくしていくと、ある値をこえたとき、一方の豆電球が切れてしまいました。このとき、切れたのはどちらの豆電球ですか。①または②で答えなさい。また、この値は何Vですか。

【解説と解答】
(1)
2Vが2つですので4Vになります。また最大も10Vの2倍で20Vになります。
(答え)(あ) 4 (い) 20
(2) 豆電球①が0.4Aになるのはグラフから5Vです。5Vの電圧をかけると豆電球②には1Aの電流が流れます。
(答え)1
(3) グラフで見ると、2Vのとき、①が0.2A、②が0.6Aになっています。
(答え)2
(4)グラフで見ると、0.5Aのとき、①は10V、②は1.5Vになります。同じ電流で2つの電圧の和が6Vになるところをグラフから探します。
①に5V、②に1Vかけるとちょうど0.4Aになるのです。
(答え)(あ) 11.5 (い) 0.4

(5)(あ)②の方は1Vで光り、3つ直列ですから3Vの電圧がかかれば全部光ります。このとき①にも3Vかかりますが、①は2×2=4Vの電圧がないと光らないので、答えは②で3Vです。
(い)は4V
(う)切れたのは②で5×3=15Vで切れてしまいます。
(答え)(あ) 豆電球② 電圧3 (い) 4 (う) 豆電球② 電圧15


「映像教材、これでわかる電気」(田中貴)


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