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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

電圧のわからない電源、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、スイッチ S、電流計を用いて、次のような回路をつくった。

  • 電源、電流計、電熱線 A、電熱線 B をこの順に直列につないだ。
  • スイッチ S と電熱線 C を直列につないだものを、電熱線 B と並列になるように、電熱線 B の両端につないだ。

スイッチ S を開いているとき、電流計は を示した。次にスイッチ S を閉じると、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、電源の電圧はスイッチ S の開閉によって変わらず、導線・スイッチ・電流計の抵抗は考えないものとする。

電源A()B()SC

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

まず、スイッチ S を開いたときの回路が、どの電熱線の直列回路になるかを考えて、電源の電圧を求めましょう。

ヒント 2

スイッチ S を閉じたとき、電流計を流れる電流はそのまま電熱線 A を流れます。電熱線 A に加わる電圧がわかれば、並列部分に加わる電圧もわかります。

ヒント 3

電源の電圧は です。スイッチ S を閉じると、電熱線 A にも並列部分にも ずつ加わります。電熱線 B を流れる電流を求めてから、電熱線 C を流れる電流を考えましょう。

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・並列回路の性質を使う。

電源の電圧(スイッチ S を開いているとき)

スイッチ S を開いていると電熱線 C には電流が流れないので、回路は電熱線 A と電熱線 B の直列回路になる。直列回路全体の抵抗は各抵抗の和なので

電流計は回路全体を流れる電流 を示すので、電源の電圧は

スイッチ S を閉じたとき

電流計は電熱線 A と直列なので、電熱線 A を流れる電流は である。電熱線 A に加わる電圧は

直列部分の電圧の和は電源の電圧に等しいので、並列部分(電熱線 B と C)に加わる電圧は

よって電熱線 B を流れる電流は

並列部分に流れこむ電流 は電熱線 B と C に分かれるので、電熱線 C を流れる電流は

電熱線 C には が加わっているので、その抵抗の大きさは

別解

S を開いているとき、回路は A と B の直列で全体の抵抗は 。電源の電圧は 。S を閉じたとき、全体の抵抗は 。A の抵抗が なので、B と C の並列部分の合成抵抗は 。並列部分にかかる電圧は 。B に流れる電流は 、C に流れる電流は 。よって C の抵抗は 。検算: で合成抵抗 と一致する。

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