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電流と電圧の問題

難易度 3公立高校入試の標準レベル中学理科 電流と電圧

電圧がわからない電源、電流計、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 を用いて、次のような回路をつくった。

  • 電源の一方の極から、電流計、電熱線 A の順に直列につなぐ。
  • 電熱線 A の先で導線を 2 つに分け、一方には電熱線 B を、もう一方にはスイッチ S と電熱線 C を直列につないだものをつなぐ。
  • 2 つに分かれた導線を再び 1 つにまとめ、電源のもう一方の極につなぐ。

スイッチ S を切っているとき、電流計は を示した。次に、スイッチ S を入れると、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、電源の電圧はつねに一定であり、導線・電流計・スイッチの抵抗は無視できるものとする。

電源電流計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 を切っているときの回路から、わからない電源の電圧を求めましょう。

ヒント 2

スイッチを入れたあとも電源の電圧は変わりません。電熱線 A に加わる電圧を求めれば、B と C の並列部分に加わる電圧がわかります。

ヒント 3

電源の電圧は 、スイッチを入れたとき電熱線 A に加わる電圧は なので、並列部分の電圧は です。電熱線 B を流れる電流を求め、 から引いて 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

スイッチ S を切っているとき

スイッチ S を切っているので、電熱線 C には電流が流れません。回路は電熱線 A と電熱線 B の直列回路になります。直列回路全体の抵抗は各抵抗の和なので

オームの法則(電圧 = 抵抗 × 電流)より、電源の電圧は

スイッチ S を入れたとき

電源の電圧は一定なので のままです。電流計を流れる の電流はすべて電熱線 A を流れるので、電熱線 A に加わる電圧は

直列部分では各部分の電圧の和が電源の電圧になるので、B と C が並列になっている部分に加わる電圧は

並列部分では、B にも C にも同じ が加わります。電熱線 B を流れる電流は

枝分かれする前の電流は、枝分かれしたあとの電流の和に等しいので、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

スイッチ S を切っているとき、電流は電熱線 A と B の直列だけを流れる。全体の抵抗は なので、電源の電圧は 。

スイッチ S を入れると、全体の抵抗は 。
このうち A の抵抗が なので、並列部分(B と C)の合成抵抗は 。

A に加わる電圧は なので、並列部分の電圧は 。
B に流れる電流は 。
C に流れる電流は ではなく、。
よって C の抵抗は 。

検算:B と C の並列合成抵抗は より 。全体は で、 となり一致する。

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