「乾電池が1個から2個に増えた。だから、豆電球は明るくなる」
この答えは、いつでも正しいでしょうか。
確かめたいのは、乾電池の個数だけではありません。どうつないだのか。同じ豆電球を使っているのか。そこまでそろえて、明るさを比べます。
ここでは、同じ種類・同じ状態の乾電池と、同じ豆電球1個を使う、入試問題の基本的な条件で考えましょう。
まず、「何の並列つなぎ？」と聞いてみる
「並列だから明るい」と言う子に、すぐ正解を教える前に、一つ聞いてみてください。
「並列につないだのは、乾電池？ それとも豆電球？」
乾電池を増やす問題と、豆電球を増やす問題は、変えているものが違います。「直列」「並列」という名前だけを抜き出して覚えると、ここが混ざります。
今回は豆電球は1個のままです。変えるのは乾電池の数とつなぎ方。この条件を最初に書いておきましょう。
乾電池2個でも、つなぎ方で違う
比べる回路は、次の三つです。
| 回路 | 乾電池のつなぎ方 | 豆電球の明るさ |
|---|---|---|
| A | 1個 | 比較の基準 |
| B | 2個を同じ向きに直列につなぐ | Aより明るい |
| C | 2個を並列につなぐ | 基本問題ではAと同じ |
ここで、「2個だから」という説明だけでは、BとCの違いが説明できません。どちらも乾電池は2個です。
乾電池が電流を流そうとする働きは、電圧で表します。同じ向きの直列つなぎでは電圧が加わります。一方、並列つなぎでは、乾電池を2個にしても電圧を足しません。
同じ豆電球で比べると、直列つなぎでは流れる電流が大きくなり、明るくなります。並列つなぎは、乾電池1個のときと同じ程度の電流・明るさになります。
実物では乾電池の消耗や内部抵抗などによる差もあります。「同じ明るさ」は、基本問題での扱いと区別しておきましょう。
「2倍明るい」とは書かない
乾電池を同じ向きに2個直列につなぐと、基本的には電圧は1個のときの2倍です。
ただし、それをそのまま「明るさが2倍」と言い換えることはできません。
電圧、電流、明るさは、それぞれ別のものです。豆電球は温度によって電流の流れにくさも変わります。問題にない倍率を、個数だけから付け足さないようにしてください。
設問が「どちらが明るいか」と聞いているなら、まず明るさの大小を答えます。「何倍か」と聞かれた場合は、問題が与えた条件や関係を確かめます。
回路図は、見た目の配置で決めない
乾電池が図の上と下に離れて描かれていたら、並列でしょうか。横に並んでいたら、直列でしょうか。
紙の上での位置だけでは決まりません。
導線をたどって、乾電池のどの極とどの極がつながっているかを確認します。
今回の直列つなぎでは、一方の＋極と他方の−極が続いています。並列つなぎでは、＋極同士、−極同士がそれぞれ同じ接続点につながっています。
「横にあるから」ではなく、「ここがここにつながっているから」と説明できるか。図が描き換えられたときにも使える確認です。
最後に、言葉だけで答えてみよう
乾電池を2個にしたのに、豆電球が1個のときと同じくらいの明るさでした。乾電池はどのようにつないだと考えられますか。
この例の条件では、並列つなぎです。
続けて、回路図の中で、乾電池の＋極同士、−極同士がつながっているところを指してみてください。つなぎ方の名前を答えるだけでなく、図でも確かめます。
ただし、実際の実験では明るさだけで配線を断定せず、乾電池の状態と配線そのものも確認します。
電気の問題は、覚えた言葉を急いで当てはめると、条件が抜けます。
何を増やしたのか。何は同じなのか。どの極がつながっているのか。
そこを確かめてから、明るさを比べましょう。
※実験は先生や大人の指導と教材の指定に従ってください。乾電池の両極を導線だけで直接つなぐことや、違う種類・新旧の乾電池を混ぜることは避けます。
あわせて読む・参考資料
- 直列つなぎの電流を足していませんか？
- 理科の過去問で点が取れない｜答案で見直す4つのこと
- お茶の水女子大学・電気のはたらき（乾電池のつなぎ方）
- 文部科学省・小学校理科の観察，実験の手引き「電気の働き」
編集補足：回路で何を一定にしたか、比較表の先頭へ書く
以下は同じ種類の新しい乾電池と、同じ豆電球一個を使う基本モデルの自作例題です。乾電池の内部で生じる影響は無視します。実物で無制限に電池を増やすことを勧めるものではなく、指定された教材の条件で回路図を読む練習です。
乾電池を直列にしたか並列にしたかを読むとき、まず電源の部分を囲みます。豆電球の枝分かれを見て電池の並列と答えたり、電池の個数を豆電球の個数と混同したりしないように、変えている部品を明確にします。
例題1：同じ接続点へ結んだ二個の電池
一個の乾電池の電圧は1.5Vです。同じ電池二個の＋極同士を接続点Pへ、−極同士を接続点Qへ結びました。豆電球はPとQの間につながっています。この電源は直列・並列のどちらで、PとQの間の電圧はいくらですか。
並列で、1.5Vです。 二個とも同じ二つの接続点へ、同じ向きでつながっています。電池が二個あることを理由に、1.5＋1.5＝3Vとはしません。図の上下や左右の配置が変わっても、極と接続点の関係を追えば判断できます。
この条件では電池一個と比べ、豆電球の明るさは同じと扱います。ただし、電池が何時間持つかを、この情報だけから正確に計算することはできません。電源の電圧を求める問いと、持続時間を求める問いは分けます。
例題2：電圧が二倍なら、明るさも二倍？
同じ電池二個を同じ向きに直列につないで、電池一個の場合と同じ豆電球を使います。「電圧が3Vになるので、明るさも正確に二倍になる」という答えの、どこまでがこのモデルで言えますか。
電圧が3Vになることは言えますが、明るさが正確に二倍とは言えません。 同じ向きの直列では電圧を加えます。明るさについては、一個の場合より明るくなるという基本的な比較までで、与えられていない倍率を付け加えません。
電圧の単位V、電流の単位A、明るさという結果を、別の欄に置いてみてください。電圧の数値が二倍になったからといって、ほかの欄の数値を全部二倍にする規則はありません。どの量の関係が問題で指定されているかを確認します。
導線が交わる図は、接続の印を読む
回路図で線が交差していても、その場所で電気的につながるかどうかは、図の表し方に従って判断します。接続点の印や説明を見て、一本の導線を途中で別の線へ乗り換えないようにたどります。見た目が複雑でも、同じ接続点に番号を付けると整理できます。
比較した二つの回路で、電池のつなぎ方だけでなく豆電球まで増えているなら、電源だけを変えた実験ではありません。比較表へ「豆電球一個・同じ種類」と書いてから、変化した部分を探してください。
明るくないという結果だけで、配線名を決めない
実物では電池の消耗、接触の状態、豆電球の違いなどでも明るさが変わります。予想と違った結果を見て、すぐ「並列だった」と名前を決めるのでなく、配線そのものを読みます。基本問題の条件がそろっている場合と、実物の原因を調べる場面を区別します。
電気の問題で根拠になるのは、電池の数と極の結び方、一定にした部品、与えられたモデルです。部品の配置を眺めるだけでなく、何と何が同じ点につながっているかを説明できるようにしましょう。