電流と電圧の問題
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。
この問題で使うもの
- 直列と並列を組み合わせた回路(説明と入口の問題)
- オームの法則(説明と入口の問題)
- 並列回路の電流・電圧・抵抗(説明と入口の問題)
- 直列回路の電流・電圧・抵抗(説明と入口の問題)
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。