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電流と電圧の問題

難易度 4公立高校入試の難問・私立高校入試レベル中学理科 電流と電圧

電圧 の電源、抵抗の大きさが の電熱線 A、 の電熱線 B、抵抗の大きさがわからない電熱線 C、電流計を用いて、次のような回路をつくった。

  • 電熱線 B と電流計を直列につないだものと、電熱線 C を、並列につないだ。
  • この並列部分全体と電熱線 A を直列につなぎ、電源につないだ。

電源のスイッチを入れたところ、電流計は を示した。電熱線 C の抵抗の大きさは何 ですか。ただし、導線と電流計の抵抗は考えないものとする。

A()B()C

この問題で使うもの

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

電流計がどの電熱線と直列につながっているかに注目して、まず電熱線 B に加わる電圧を求めましょう。

ヒント 2

並列部分では各電熱線に加わる電圧が等しく、直列部分では電圧の和が電源の電圧になります。電熱線 A に加わる電圧がわかれば、回路全体を流れる電流がわかります。

ヒント 3

電熱線 B と C には 、電熱線 A にも が加わるので、電熱線 A を流れる電流は です。ここから電熱線 C を流れる電流を求めましょう。

答えと解説

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解説を読む

オームの法則(電圧 抵抗 電流)と、直列回路・並列回路の電流と電圧の性質を使う。

電熱線 B に加わる電圧

電流計は電熱線 B と直列につながっているので、電熱線 B を流れる電流は である。よって電熱線 B に加わる電圧は

並列につながった部分では、それぞれに加わる電圧は等しいので、電熱線 C に加わる電圧も である。

電熱線 A に加わる電圧と流れる電流

電熱線 A と並列部分は直列につながっているので、それぞれに加わる電圧の和は電源の電圧に等しい。よって電熱線 A に加わる電圧は

であり、電熱線 A を流れる電流は

電熱線 C を流れる電流と抵抗

直列回路では電流の大きさはどこでも等しいので、並列部分全体に流れこむ電流も である。並列部分では、枝分かれした電流の和がもとの電流に等しいので、電熱線 C を流れる電流は

よって電熱線 C の抵抗の大きさは

別解

電流計は電熱線 B と直列なので、B に流れる電流は である。B にかかる電圧は 。並列部分では B と C にかかる電圧が等しいので、C にかかる電圧も 。電熱線 A は並列部分と直列なので、A にかかる電圧は 。A に流れる電流は 。これが B と C に分かれて流れる電流の合計なので、C に流れる電流は 。よって C の抵抗は 。検算: 並列部分の合成抵抗は 、 で一致し、全体の抵抗 、全体の電流 で矛盾しない。

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